دانشمندان یک دنیای کوانتومی پنهان را در داخل کبالت کشف کردند

برای دهه‌ها، کبالت به‌عنوان یکی از شناخته‌شده‌ترین فلزات مغناطیسی شناخته می‌شد که دانشمندان گمان می‌کردند تمام ویژگی‌های آن را درک کرده‌اند. اما پژوهشی جدید توسط تیمی بین‌المللی به رهبری دکتر خایمه سانچز-باریگا از مرکز هلمهولتز برلین (HZB) نشان می‌دهد که این عنصر آشنا، شبکه‌ای غنی از حالت‌های الکترونیکی توپولوژیک را در خود جای داده است.

به گزارش گجت نیوز، این کشف خواص کوانتومی کبالت را در دمای اتاق پایدار نگه می‌دارد و می‌تواند نقش مهمی در فناوری‌های اسپینترونیک و الکترونیکی آینده ایفا کند. این یافته‌ها باورهای دیرین را درباره این فلز به چالش می‌کشند.

اندازه‌گیری‌های پیشرفته رازهای پنهان را آشکار می‌کنند

پژوهشگران برای بررسی دقیق ساختار الکترونیکی کبالت از طیف‌سنجی فوتوامیشن با تفکیک‌پذیری زاویه‌ای و اسپینی (spin-ARPES) در مرکز تابش سینکروترون BESSY II بهره گرفتند. این اندازه‌گیری‌ها شبکه متراکمی از خطوط گره‌ای مغناطیسی (magnetic nodal lines) را آشکار کردند.

این خطوط، گذرگاه‌های نواری توپولوژیکی خاصی هستند که در آن‌ها دو حالت الکترونیکی با قطبش اسپینی، بدون تشکیل شکاف انرژی، به‌طور پیوسته با هم تلاقی می‌کنند. این حالت‌های الکترونیکی می‌توانند حامل‌های بار بسیار سریع و پایداری را پشتیبانی کنند که برای فناوری‌های اطلاعاتی و کاربردهای اسپینترونیک آینده بسیار جذاب هستند. دکتر خایمه سانچز-باریگا، رهبر مطالعه، بیان کرد که این کشف، درک ما از خواص بنیادی این ماده عنصری را کاملاً تغییر می‌دهد.

کنترل مغناطیسی حالت‌های کوانتومی

یکی از مهم‌ترین جنبه‌های خطوط گره‌ای تازه کشف شده، قطبش اسپینی ذاتی آن‌هاست. از آنجا که کبالت فرومغناطیس است، حالت‌های الکترونیکی مرتبط با این خطوط گره‌ای دارای یک قطبش اسپینی خالص هستند که می‌توان آن را با تغییر جهت مغناطش ماده به‌طور کامل معکوس کرد. این قابلیت، کنترل مغناطیسی مستقیمی بر حامل‌های بار مرتبط با خطوط گره‌ای فراهم می‌کند که برای فناوری‌های اسپینترونیک بسیار مطلوب است.

دکتر سانچز-باریگا تاکید کرد که مشاهده این خطوط در یک فرومغناطیس عنصری ساده، بسیار غیرمنتظره است و کبالت را به سیستمی ایده‌آل برای مطالعه تعامل توپولوژی و مغناطیس تبدیل می‌کند.

تایید نظری و رفتار شبه‌ذرات بدون جرم

یافته‌های تجربی توسط محاسبات اصول اولیه مبتنی بر نظریه تابعی چگالی (density functional theory) که توسط تیم نظری به رهبری دکتر مایا جی. ورگنیوری انجام شد، تایید گردید. این محاسبات، خطوط گره‌ای موجود در ساختار الکترونیکی کبالت را شناسایی کرده و توافق بسیار خوبی با نتایج تجربی داشتند و نشان دادند که این خطوط حتی با در نظر گرفتن جفت‌شدگی اسپین-مدار، بدون شکاف باقی می‌مانند.

دکتر سانچز-باریگا توضیح داد که در نزدیکی این گذرگاه‌ها، الکترون‌ها مانند ذرات بدون جرم و شبه‌نسبیتی رفتار می‌کنند و می‌توانند بسیار سریع حرکت کنند؛ رفتاری استثنایی که پیش از این در هیچ فرومغناطیس عنصری دیده نشده بود. توانایی دستکاری این حالت‌های الکترونیکی با استفاده از میدان‌های مغناطیسی، کبالت را به بستری ارزشمند برای توسعه دستگاه‌های آینده تبدیل می‌کند.

افق‌های تازه برای مغناطیس و مواد کوانتومی

فراتر از کاربردهای فناورانه، پژوهشگران معتقدند این کشف ممکن است به وجود ویژگی‌های توپولوژیکی پنهان مشابه در سایر فلزات فرومغناطیس اشاره کند. این یافته‌ها درها را برای کشف پدیده‌های کوانتومی ناشناخته در موادی که دهه‌ها مورد مطالعه بوده‌اند، باز می‌کند. تیم همچنین روش‌هایی را برای تنظیم بیشتر این خواص، مانند بررسی رابط‌ها با مواد حاوی عناصر سنگین، پیشنهاد کرده است.

 این نتایج نشان می‌دهد که حتی آشنا‌ترین مواد نیز می‌توانند شگفتی‌های علمی بزرگی ایجاد کنند و درک ما از فلزات فرومغناطیس هنوز کامل نیست و فرصت‌های جدیدی را برای پژوهش در زمینه مغناطیس و دنیای کوانتومی پنهان در کبالت آشکار می‌سازد.

شکار جنگنده‌های پنهان‌کار با فناوری جدید / اسلحه جدید چین

بیشتر بخوانید:

چین در مسیر سلطه بر مواد معدنی حیاتی تا ۲۰۳۰ + اینفوگرافیک

با بزرگترین تولیدکنندگان کبالت جهان آشنا شوید(+اینفوگرافی)

تماشاخانه

اشراف‌زاده ساسانی ؛ مومیایی ایرانی / دفن شده در نمک پس از ۱۸۰۰ سال

وقتی اشکانیان ایران را پس گرفتند؛ زمانی که رومی‌ها با تحمیل یک معاهده به سلوکیان سلاح قدرتمندشان را بدست آوردند

فیلم های دیگر