دو‌شنبه ۶ مه ۲۰۱۳

Illustration: HZDR / Sander Münster 3Dkosmos

دانشگـران مـرکز هلمـهولتز در درســدن و روسنـدورف [1] (HZDR) همراه با همکاران‌شان از مؤسسه‌ی پل شیرر [2] (PSI) مشاهده‌ی گردشاره‌های سه‌بعدی را در مقاله‌ئی در فیزیکال ریویو لترز [3] گزارش کرده‌اند. این گردشاره‌ها که تا کنون تنها در دو بعد مشاهده شده بودند معمولا در قرص‌های نانومتری مغناطیسی شکل می‌گیرند. اما سباستین وینتز [4] و همکارانش با روی هم‌ قراردادن دو قرص و لایه‌ی نازک غیرمغناطیسی گردشاره‌ئی سه‌بعدی ساخته‌اند که تا کنون مشاهده نشده بود. این کشف نه‌تنها دانش بنیادی مواد مغناطیسی را ژرف‌تر می‌کند،‌ در انتقال بی‌سیم داده‌ها با سرعت زیاد نیز کاربردهای بالقوه دارد.

در قرص مغناطیسی دوقطبی‌های مغناطیسی هم‌چون آهن‌رباهائی که یکی پس از دیگری قرار گرفته باشند به شکل دایره مرتب می‌شوند. با این که این دوقطبی‌ها جابه‌جا نمی‌شوند به این آرایش، گردشاره‌ی مغناطیسی گفته می‌شود. در مرکز دایره این آرایش دایره‌ای دیگر ممکن نیست و اسپین‌ها به سمت بالا یا پایین جهت می‌گیرند. هنگامی که جریان مستقیم به قرص داده می‌شود بخش درونی گردشاره روی مسیری‌ دایره‌ای شروع به حرکت می‌کند و امواج الکترومغناطیسی گسیل می‌کند (شکل زیر را ببینید). اما اگر سرعت دوران زیاد شود سیستم ناپایدار می‌شود، جهت مغناطش بخش درونی وارون می‌شود، و بخش درونی دوباره شروع به دوران می‌کند. انتقال پیوسته‌ی داده‌ها به‌این ترتیب ممکن نیست.

Credit: www.nature.com

اما با یک زوج قرص مغناطیسی که لایه‌ی نازک غیرمغناطیسی آنها را از هم جدا کرده باشد اوضاع فرق می‌کند. کل ساختار بسیار نازک است: ضخامت هر قرص حدود ۱۰ نانومتر و قطر آن حدود ۵۰۰ نانومتر است. لایه‌ی غیرمغناطیسی میانی باعث می‌شود راستاگزینی اسپین‌ها دقیقاً دایره‌ای نباشد و اسپین‌ها کمی به سوی مرکز یا بیرون گردشاره انحراف پیدا کنند. هرچه‌ به لایه‌ی غیرمغناطیسی میانی نزدیک‌تر شویم این انحراف‌ به سوی لایه‌ی میانی نیز راستا می‌گیرد طوری که اسپین‌ها در دو سوی این لایه هم‌راستا باشند: به این ترتیب حول لایه‌ی‌ میانی و بین بخش درونی و لبه‌ی خارجی قرص، اسپین‌ها گردشاره‌ئی ایستاو سه‌بعدی‌ می‌سازند. دوقطبی‌‌های مغناطیسی در مرکز تقریباً در راستای عمودی روی یک‌‌دیگر و همیشه موازی با هم قرار می‌گیرند و به‌این ترتیب راستائی را می‌گزینند که گردشاره‌ی سه‌بعدی تعریف می‌کند. به همین دلیل است که تغییر جهت دوقطبی‌های مغناطیسی دیگر ممکن نیست. گردشاره‌ی سه‌بعدی به مغناطش بخش درونی گردشاره پایداری می‌دهد و جهت مغناطش حتی در سرعت‌های دوران زیاد حفظ خواهد شد.

این قرص‌های نانومتری در مرکز هلموهلتز و با لیتوگرافی باریکه‌ی الکترون ساخته شدند. برای آشکارکردن ساختار سه‌بعدی به تابش سنکروترون چشمه‌ی نور سوییس نیاز بود. خصوصیت تابش پرشدت سنکروترون را می‌توان با دقت تنظیم کرد تا نیازهای آزمایش برآورده شود. کارگروه تحت مدیریت یورگ رابه ^[5] با میکروسکوپ روبشی و تراگسیلی پرتو ^[6] x کار می‌کند که با آن می‌توان جهت مغناطش را با تفکیک‌دهی ۲۰ نانومتر معلوم کرد و سیگنال‌های دو لایه‌ی مختلف مغناطیسی را از هم تمیز داد.

منبع:

Magnetic Vortex Antennas for Wireless Data Transmission
6 May 2013
HZDR - Press & News
http://www.hzdr.de/db/Cms?pNid=99&poid=38996

[1] Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
[2] Paul Scherrer Institute
[3] Physical Review Letters
[4] Sebastian Wintz
[5] Jörg Raabe
[6] scanning transmission X-ray microscope