درایو سخت رایانه‌ی شما اطلاعات را در مناطق کوچکی نگه‌داری می‌کند که قادر است از یک قطبش مغناطیسی به قطبش مغناطیسیِ دیگری انداخته شده و از این طریق صفر و یک‌های داده‌ها‌ی دوتایی را مشخص کند. سرعت چنان قطعاتی به سرعت این «بیت»‌ها بستگی دارد که می‌تواند چنان تلنگری را وارد کنند یا «بازنوشته» شوند. یک تیم از فیزیک‌دانان اکنون به شکل تجربی نشان داده‌‌اند که سرعت این نوشتن، با تنظیم دقیق هندسه‌ی مغناطیسی قطعات ذخیره، حدود سی برابر سریع‌تر می‌شود. این اثبات بلافاصله به حافظه‌های سریع‌تر منجر نمی‌شود اما مسیر امیدوارکننده‌ای را پیش روی پژوهش‌گران قرار می‌دهد.

در بسیاری از مواد مغناطیسی، هر اتم اسپینی دارد که شبیه یک آهنربای میکروسکوپیکی عمل می‌کند. اگر تمام این اسپین‌ها در جهت یکسانی قرار گیرند، این الگو، نظم فرومغناطیس نامیده می‌شود مثل چیزی که درون یک آهنربای آهنی معمولی یافت می‌شود. اما نظم مغناطیسی ظریف‌تری هم می‌تواند وجود داشته باشد اگر جهت اسپین‌ها به شکل سیستماتیک در شبکه‌ی اتمی تغییر کنند. برای مثال اسپین‌های اتمی می‌توانند روی یک خط به سمت بالا یا پایین جهت‌گیری کنند یا تدریجاً طوری بچرخند که یک مارپیچ حلزونی را دنبال کنند. این ترکیب‌بندی‌ها و دیگر آرایش‌ها هیچ مغناطش بزرگ مقیاسی را تولید نمی‌کند چون هر اسپین با اسپین دیگر خنثی می‌شود. این الگو به نظم پاد‌فرومغناطیسی معروف است.

بیت‌های حافظه‌‌های مغناطیسیِ مدرن معمولاً حوزه‌های کوچکی با نظم فرومغناطیس دارند. تلنگرزدن به یک بیت (تغییر قطبش) به شکل همزمان هم بسیاری از اسپین‌های اتمی را بازآرایی می‌کند و هم سرعت بازنویسی اطلاعات را محدود می‌سازد. فیزیک‌دانان مدت زمان زیادی است که گمان می‌کنند سویچ‌زنی از یک ناحیه‌ی با نظم پاد‌فرومغناطیس به ناحیه‌ای با حالت غیر پاد‌فرومغناطیس بایستی آسان‌تر باشد، چون می‌توان از نور برای ضربه‌زدن به الکترون‌‌های حامل اسپین از یک اتم به اتم مجاور استفاده کرد تا الگوی هندسی را مختل ساخت. در اصل، صفر و یک‌ها می‌توانند با دو حالت «نظم پاد‌فرومغناطیس» و «نظم غیر پاد‌فرومغناطیس» نشان داده شوند. آزمایش‌هایی که برای آزمودن زمان پاسخگویی ناحیه‌های فرومغناطیس و پاد‌فرومغناطیس وجود دارند چالش برانگیز‌اند، با این حال چون بسیاری از مواد انحصاراً از یک نوع نظم برخوردارند و نیز وجود تفاوت‌های فیزیکی دیگر، مقایسه‌ی ویژگی‌های مغناطیسی را دچار ابهام می‌کند.

برای غلبه بر این مشکل کریستین شوسلر-لانگهاین (Christian Schüssler-Langeheine) از مرکز مواد و انرژي هلمهولتز در برلین و همکارانش، آزمایش‌هایی را با استفاده از لایه‌ی نازکی از عنصر دیسپروزیم به راه انداخته‌اند که در دماهای پایین تر از ۸۷ کلوین فرومغناطیس و در دماهای بالاتر پاد‌فرومغناطیس است. به گفته‌ی نله ثیلمان کوهن (Nele Thielemann-Kühn) یکی از اعضای این تیم: «ما چگونگی تغییر دو نوع نظم در یک نمونه یکسان را اندازه گرفته‌ایم. تمام چیزی که بایستی انجام می‌دادیم تغییر دمای نمونه بود».

برای مقایسه‌ی مستقیم سرعت‌های سویچ‌زنی ناحیه‌های فرومغناطیس و پاد‌فرومغناطیس، این تیم آهنگِ مختل شدن نظم را مورد مطالعه قرار داده‌اند؛ بجای آنکه صریحاً به دنبال تلنگروارد ساختن به اسپین‌ها باشند. آن‌ها از پالس‌های نوری لیزری فروسرخ استفاده کرده‌اند تا نظم مغناطیسی نمونه‌های دیسپروزیم را، با استفاده از الکترون‌های مسئول مغناطش از یک اتم به اتم دیگر، مختل کنند. برای نظارت بر اینکه نظم مغناطیسی چقدر سریع تغییر می‌کند آنها نمونه را با پالس‌های اشعه‌ی ایکس اسکن کرده‌اند؛ پراکندگی این اشعه به حالت مغناطیسی دیسپروزیم بستگی دارد. این پژوهش‌گران دریافتند که منطقه‌های پاد‌فرومغناطیس نظم مغناطیس خودشان را حدود ۳۰ بار سریع‌تر از ناحیه‌های فرومغناطیسی از دست داده و انرژی لیزری بسیار کمتری برای شروع این تغییر در آنها مورد نیاز است.

ثیلمان کوهن می‌گوید این تغییر را می‌توان با ممان زاویه‌ای مرتبط با اسپین هر اتم توضیح داد. در یک منطقه‌ی فرومغناطیس، اسپین‌های موازی با هم جمع می‌شوند تا یک ممان زاویه‌ای کل بزرگ را ایجاد کنند. حرکت یک اسپین از یک اتم به اتم دیگر ممان کل را تحت تاثیر قرار نداده و بنابراین نظم فرومغناطیس دچار اختلال نمی‌شود. برای برهم‌زدن فرومغناطیس بایستی ممان زاویه‌ای را به دور از سیستم اسپینی و به بخش دیگری از محیط پیرامونی انتقال داد. در مقابل، یک ناحیه‌ی پاد‌فرومغناطیس ممان زاویه‌ای خالص ندارد چون سهم اتم‌های مختلف همدیگر را خنثی می‌سازند. نظم مغناطیس را می‌توان صرفاً با مخلوط کردن اسپین‌های اتمی و تخریب آرایش فضایی آن‌ها پاک کرد.

به گفته‌ی استفان ایزبیت (Stefan Eisebitt) از موسسه‌ی ماکس بورن در برلین: «این آزمایش بسیار ظریف است، مهم نیز هست، چون نشان می‌دهد که اگر هیچ نیازی به انتقال ممان زاویه‌ای به فواصل دورتر نباشد، از بین بردن مغناظش از طریق اپتیکی سریع‌تر انجام می‌شود».

آنطور که ثیلمان کوهن می‌گوید: «کار ما عمدتاً یک پژوهش بنیادی به حساب می‌آید». اما وی معتقد است که نتایج پژوهش آن‌ها ممکن است به قطعات مغناطیسی سریع‌تر و کارآمدتری نیز بیانجامد. اگرچه در مواد پاد‌فرومغناطیس تمایز واضحی بین قطبش‌های مخالف وجود ندارد که باعث می‌شود حافظه‌های فرومغناطیس ساده‌تر باشند، اما او می‌گوید پژوهش‌گران دیگر کارهایی را انجام داده‌اند تا به راه‌هایی برای ذخیره اطلاعات در مناطق پاد‌فرومغناطیس دست یابند. امکان دیگری که برای بهبود سرعت سویچ‌زنی بیت‌های فرومغناطیس سنتی وجود دارد آن‌ است که این مناطق را در تماس نزدیک با مواد پاد‌فرومغناطیس قرار دهیم تا مسیری برای حرکت ممان زاویه‌ای به داخل یا بیرون فراهم شود.

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز انتشار یافته است.

درباره‌ی نویسنده:

مارک بوچانان نویسنده‌ی آزاد علمی است که اوقاتش را بین والسِ انگلستان و نرماندیِ فرانسه می‌گذراند.

منبع:

Quick Changes in Magnetic Materials