پژوهش‌گران فرانسوی روش جدیدی برای تصویرسازیِ دیواره‌ی‌ حوزه‌های مغناطیسی در ابعاد نانو و در لایه‌های فرومغناطیس فوق‌نازک کشف کرده‌اند؛ چیزی که انجام آن تاکنون دشوار بوده است. با بهره‌گیری از نقص نقطه‌ای در بلور الماس که به یک میکروسکوپ نیروی اتمی روبشی (AFM) وصل شده٬ این محققان قادر شده‌اند تا «چشم‌اندازی» از انرژیِ دیواره‌ی حوزه‌هایی مغناطیسی را ترسیم کنند. آن‌ها حتی توانسته‌اند خودِ دیواره‌ها را با استفاده از نور لیزر جابجا کنند؛ فناوری که به توسعه‌ی قطعات اسپین‌ترونیک پیشرفته همچون racetrack memory کمک می‌کند.

دیواره‌ی حوزه‌های مغناطیسی مرزهای باریکی (حدود ۱۰ تا ۱۰۰ نانومتر) بین مناطقی هستند که ممان‌های مغناطیسی در یک طرف آن به سمت بالا و در طرف دیگر به سمت پائین است. در این مرزها٬ ممان‌های مغناطیسی به شکل ناگهانی از یک جهت‌گیری به جهت‌گیری دیگر چرخش نمی‌کنند٬ بلکه این تغییر به تدریج انجام می‌شود. وقتی این دیواره‌ها حرکت می‌کنند٬ رفتارشان شبیه یک نوار کشسان سفت است که بر روی یک سطح می‌لغزد. این‌که این دیواره‌ها چگونه حرکت می‌کنند به چشم‌انداز انرژی پتانسیلی وابسته است که با آن مواجه می‌شوند. در این چشم‌انداز انرژی٬ فرورفتگی‌ها یک مقاومت کوچک به نمایش می‌گذارند درحالی‌که پیک‌های انرژی شبیه سدّهایی عمل می‌کنند که غلبه بر آن‌ها بسیار دشوار است.

دیواره‌ی حوزه‌های مغناطیسی را می‌توان در ساخت انواع جدیدی از قطعات اسپین‌ترونیک بکار بست. به عنوان نمونه‌ای از این قطعات می‌توان حافظه‌های racetrack را نام برد که در آن‌ داده‌ها به شکل دنباله‌ای از حوزه‌های مغناطیسی در طول یک نانوسیم ذخیره می‌شوند. تک‌بیت‌ها با حرکت دادن این دنباله‌ها در طول نانوسیم و در قطعاتِ نوشتن و خواندن مغناطیسی ذخیره و بازیابی می‌شوند. یک تراشه‌ی racetrack معمولی شامل آرایه‌هایی از نانوسیم‌ها با درازای حدود چند میکرون و پهنای حدود ۳۰ میکرون است که می‌تواند هزاران گیگابایت از داده‌ها را ذخیره کند. در چنان قطعاتی٬ پژوهش‌گران نیازمند آن هستند تا موقعیت یک دیواره‌ی حوزه‌ی مغناطیسی را به دقت کنترل کرده و حتی این دیواره‌ها را در طول یک نانوساختار حرکت دهند. این که قادر باشیم تا چنان «عوارض» مغناطیسی برای دیواره‌ها را توصیف کنیم٬ گامی مهم محسوب می‌شود اما انجام آن به دلیل کمبود ابزارهای مناسب تاکنون با دشواری‌هایی روبرو بوده است.

میکروسکوپ نیتروژن-جای‌خالی

وینسنت ژاک (Vincent Jacques) و همکارانش از ENS Cachan٬ مرکز ملی پژوهش‌ علمی (CNRS) و دانشگاه پاریس سود نه تنها در تصویربرداری از دیواره‌ی حوزه‌ها موفق بوده‌اند بلکه توانسته‌اند جهش این دیواره‌ها را در طول محل‌های مختلف در یک سیم فرومغناطیس نازک مشاهده کنند. آنان این کار را با استفاده از میکروسکوپ مغناطیسی روبشی با حساسیت بالا به انجام رسانده‌اند. این میکروسکوپ بر پایه‌ی نقص‌های شبکه‌ای در بلور الماس کار می‌کند که به مراکز نیتروژن-جای‌خالی (NV) معروفند. این نقص‌ها زمانی رخ می‌دهند که دو اتم کربن مجاور در شبکه‌ی الماس با یک اتم نیتروژن و یک جای خالی شبکه‌ای جایگزین شود. چنان مراکزی قادر خواهند بود تا میدان‌های مغناطیسی ضعیف را آشکارسازی کنند.

تجهیزاتی که توسط تیم ژاک مورد استفاده قرار گرفته در حقیقت شامل یک جواهر الماس ۵۰ نانومتری است که به نوک AFM چسبیده است. وقتی مرکز NV با نور سبزرنگ لیزر و توسط یک میدان فرکانس رادیویی خارجی تحریک می‌شود٬ این مرکز در بخش سرخ طیف الکترومغناطیسی تابش می‌کند. شدت این نور به میدان مغناطیسی نمونه‌ای بستگی دارد که تصویر آن برداشته می‌شود (در این مورد یک نانوسیم فرومغناطیس CoFeB با ضخامت یک نانومتر).

آن‌گونه که ژاک توضیح می‌دهد: «با آشکارسازی تابش نقص NV با استفاده از میکروسکوپ اپتیکی٬ می‌توانیم میدان مغناطیسی نشات گرفته از لایه‌ی مغناطیسی زیر نوک الماس را دقیقاً مشخص کنیم.» «چنان‌چه حسگر الماس را در طول لایه حرکت دهیم٬ از میدان مغناطیسی نانوسیم تصویربرداری کرده و پروفایل دیواره حوزه را تعیین می‌کنیم.»

یک میکروسکوپ مغناطیسی که بر پایه‌ی تک اسپین در یک نانوبلور الماس کار می‌کند و می‌توان از آن برای تصویربرداری و کنترل جهش دیواره‌ی حوزه‌های در مقیاس نانو و در سیم مغناطیسی فوق‌نازک بهره برد.

کشیدن دیواره‌ها

این پژوهش‌گران با استفاده از این فناوری قادر به مشاهده‌ی جهش حوزه-دیواره (معروف به اثر بارکهاوزن) شده‌اند. این جهش بین دو محل رخ می‌هد که به فاصله‌ی ۵۰ نانومتر از هم در طول سیم قرار گرفته‌اند. این محل‌های سنجاق‌شدگی٬ به دلیل حضور نقص‌های ساختاری یا نقص‌های ناشی از ساخت در یک ماده رخ می‌دهد و به شکل محلی چشم‌انداز انرژی را تغییر داده و مانع حرکت دیواره‌ها می‌شوند. محققان این جهش‌ها را با استفاده از گرمای ایجاد شده توسط نور لیزر در میکروسکوپ٬ مدیریت کرده‌اند که به نوبه‌ی خود به آنان اجازه می‌دهد تا دیواره‌ها را در طول سیم «کشیده» و در هر نقطه‌ای بر روی ساختار قرار دهند.

به گفته‌‌ی ژاک: «فرآیند ما این امکان را می‌دهد تا چشم‌انداز انرژی که دیوراه‌ها در طول سیم مشاهده می‌کنند را محاسبه کنیم». «این درک کمی از چشم‌انداز برای آینده‌ی کاربردهای ذخیره‌ی داده‌ها و پردازش اطلاعات مهم به حساب می‌آید. به عنوان مثال حافظه‌ی racetrack که توسط IBM پیشنهاد شده٬ شامل بیت‌های ذخیره‌سازی از داده‌های با دنباله‌ای از دیواره‌های حوزه‌ی مغناطیسی است که در طول سیم مغناطیسی به سمت عقب و جلو حرکت می‌کند. چنان‌که ذکر شد یک گام مهم و اساسی به سوی ساخت این حافظه‌ها٬ توصیف عوارض مغناطیسی دیواره‌های حوزه خواهد بود٬ چون‌ چگونگی حرکت این دیواره‌ها در طول مسیر تعیین خواهد کرد که تا چه حد می‌توان از این دیواره‌ها به عنوان قطعات استفاده برد». این فناوری تنها محدود به مطالعه‌ی دیواره‌ها نیست٬ وی می‌افزاید: «می‌توان از این فناوری برای مطالعه‌ی دیگر اشیاء مغناطیسی٬ همچون اسکای‌میون‌ها (گرداب‌های مغناطیسی کوچک که توانایی این را دارند تا پایه‌ی فناوری‌های دیسک-سخت آینده را تشکیل دهند) استفاده کرد که اکنون مبحثی دیگری از پژوهش‌های در حال انجام است.

این فناوری در مجله‌ی ساینس انتشار یافته است.

درباره‌ی نویسنده:

بل دامی (Belle Dumé) کمک‌ویراستار nanotechweb.org است.

منبع:

Diamond defect images magnetic domain walls