مشاهده ی تغییر فوق سریع اسپین و کمک به رشد تکنولوژی های اسپینترونیک

اسپینترونیک، یکی از تکنولوژی های پیشرفته ای است که از اسپین بهره می گیرد. حالا دانشمندان موفق شده اند پدیده ی تغییر اسپین را با بالاترین رزولوشن زمانی، مشاهده کنند. با دیپ لوک همراه باشید…

اگرچه قبلاً هم در مورد تکنولوژی اسپینترونیک صحبت کرده ایم، اما مرور توضیحی درباره ی آن خالی از لطف نخواهد بود. همه ی ما واژه ی الکترونیک را شنیده ایم؛ علمی که از الکترون برای ذخیره، پردازش و انتقال اطلاعات استفاده می کند، اما حالا واژه ی اسپین، جای الکترون را در این عبارت گرفته است، این جایگزینی در نقش آنها هم اتفاق افتاده است، یعنی در این تکنولوژی جدید به جای الکترون، از اسپین برای ذخیره، پردازش و انتقال اطلاعات استفاده می شود، به همین سادگی!!

مشاهده ی تغییر فوق سریع اسپین و کمک به رشد تکنولوژی های اسپینترونیک

در پژوهش تازه و بسیار ارزشمندی، دانشمندان نشان دادند که الکترون ها از طریق اسپین ها می توانند بسیار سریع تر از چیزی که از قبل تصور می شد، جهش کنند.  الکترون ها در یک ملکول، علاوه بر چرخش حول اتم ها، به دور خودشان هم می چرخند که به زبان ساده این حرکت را اسپین می نامیم. الکترون ها حین چرخش حول خودشان، می توانند از یک حالت اسپینی به حالت اسپینی دیگر نیز بروند. به این پدیده، اسپین کراس اور یا spin crossover (به اختصار SCO) گفته می شود. شاید معادل فارسی آن را بتوان تغییر یا انتقال اسپین درنظرگرفت. (در صورتی که دوستان، معادل دقیق فارسی آن را می دانند، لطفا در کامنت ها اعلام کنند) از این ویژگی می توان برای نسل بعدی دیسک های سخت یا همان هارددرایوها استفاده کرد. پیش از این فرض می شد که این فرآیند، بسیار آهسته و بنابراین ناکارآمد است، اما حالا دانشمندان، برای نخستین بار و به کمک اندازه گیری های فوق سریع نشان دادند که الکترون ها می توانند حالت اسپینی خود را ۱۰۰۰۰۰ بار سریع تر از قبل، عوض کنند. این یافته ی بسیار مهم می تواند پیشرفت بزرگی را در تکنولوژی های اسپینترونیک رقم بزند. نتیجه ی این پژوهش در ژورنال Nature Chemistry منتشر شد.

قواعد اسپین

اگرچه تصور اسپین در دنیای ماکروسکوپی، مشکل است، اما به طور ساده، می توان آن را به صورت چرخش یک سیاره یا یک فرفره حول محور خودش تصور کرد. الکترون ها می توانند به شیوه های مختلفی که به عنوان حالات مختلف اسپنی شناخته می شود، بچرخند. این حالات با اعداد ۰, ۱/۲, ۱, ۳/۲, ۲ و غیره نشان داده می شوند. حین یک واکنش شیمیایی، الکترون ها می توانند از یک حالت اسپین به دیگری بروند. مثلاً از ۰ به ۱ یا از ۱/۲ به ۳/۲. مفهوم تغییر اسپین، در موارد بسیاری مانند دستگاه های تابشی نور اپتیکال، سیستم های تبدیل انرژی و درمان سرطان کاربرد دارد و مهم ترین کاربرد آن در تکنولوژی اسپین ترونیک هاست. اماقبلاً تصور بر این بود که تغییر اسپین به اندازه ی کافی، بهره ور نیست.

انتقال اسپین با بیشترین سرعت …

دانشمندان به تازگی نشان داده اند که تغییر اسپین می تواند با سرعت بسیار بیشتری نسبت به آزمایش های قبلی رخ دهد. آنها با استفاده از بالاترین رزولوشن زمانی، توانستند انتقال اسپین الکترون ها بین ۴ حالت اسپینی را در محدوده ی زمانی ۵۰ فمتوثانیه (یا ۵۰ “یک میلیون میلیاردم ثانیه”) مشاهده کنند. در واقع محدودیت آزمایشگاهی رزولوشن زمانی، باعث شده بود تا دانشمندان فرآیند تغییر اسپین را یک فرآیند کُند بدانند. در سال های قبل، دانشمندان در آزمایشگاه های مختلف توانسته بودند این فرآیند را در محدوده ی زمانی یک بیلیونیوم یک میلیونیوم ثانیه اندازه بگیرند و همین محدودیت باعث شده بود تا آنها تصور کنند انتقال اسپین در این چارچوب زمانی طولانی رخ می دهد.

دانشمندان بر مواد کاربردی تر در تکنولوژی اسپینترونیک تمرکز کرده اند. در این مواد، الکترون ها از طریق حالت اسپینی جهش می کنند: از ۰ به ۱ به ۲. در سال ۲۰۰۹ دانشمندان موفق شدند انتقال اسپین ۲-۰ را در ۱۵۰فمتوثانیه اندازه گیری کنند و تصور می کردند که این یک انتقال مستقیم است، در حالیکه معلوم شد فرآیندی با مراحل حدواسط می باشد. اما در مورد آزمایش اخیر، جهش از حالت اسپین ۰ به ۲، تنها ۵۰ فمتوثانیه طول کشید و این یعنی با یک فرآیند مستقیم و بدون مراحل واسطه ای سروکار داریم.

از مشاهده تا توجیه …

پدیده ی تغییر اسپین، اگرچه کاربردهای بسیار زیادی در فیزیک و شیمی دارد، اما عملاً یک پدیده ی بدون توضیح است. دانشمندان معتقدند که کلید حل این معما، الکترون هایی هستند که بین اتم مرکزی ملکول و عناصر اطرافش، رفت و آمد می کنند. وقتی لیزر به اتم می تابد، زاویه ی اسپین و چرخش الکترون را تغییر می دهد که به دنبال آن، دینامیک کلی اسپین در ملکول نیز تغییر می کند. اکنون وقت آن رسیده که نظریه پردازان، مدل جدیدی را برای تغییرات اسپینی فوق سریع را ارائه دهند.

منبع:phys.org