[ad_1]
یک لایه آهنربا که فقط به اندازه یک اتم ضخامت دارد، رکورد ساخت نازک‌ترین آهنربا را شکست. اگرچه این آهنربای ورقه‌ای ضخامت بسیار کمی دارد، نکته جالب درباره آن این است که می‌تواند در دمای محیط هم خاصیت مغناطیسی داشته باشد. این اختراع دستاورد بزرگی محسوب می‌شود و درهای جدیدی به‌سوی پیشرفت فناوری به‌ویژه در عرصه ساخت قطعات حافظه و نیز مطالعات فرومغناطیس و فیزیک کوانتوم می‌تواند باز کند.
ساخت این آهنربای ورقه‌ای قدم موفقیت‌آمیزی برای تولید آهنربای دوبعدی است. پیش‌از‌این، تمام تلاش‌ها برای ساخت آهنربای ورقه‌ای دوبعدی با شکست مواجه شده بودند؛ زیرا آهنرباهای نازکی که قبلا ساخته شده‌اند، در دمای بسیار سرد فعال هستند و به‌محض قرارگرفتن در دماهای بیشتر، وضعیت ناپایداری پیدا می‌کردند و خاصیت مغناطیسی‌شان را از دست می‌دادند. جی یائو، مهندس مواد از دانشگاه برکلی در کالیفرنیا می‌گوید:
توانسته‌ایم اولین آهنربای دوبعدی را بسازیم که در دما و سایر وضعیت‌های محیطی از‌لحاظ شیمیایی پایدار است… آهنرباهایی که اخیرا و با علم روز تولید شده‌اند، حتما باید در دماهای بسیار کم استفاده شوند؛ در‌غیر‌این‌صورت ناکارآمد خواهند بود. بااین‌حال، می‌دانیم مثلا مرکز نگه‌داری از داده‌ها باید در دمای اتاق فعالیت کند. آهنربای دوبعدی ما، تنها آهنربایی است که به‌معنای واقعی شایسته استفاده از لفظ دوبعدی است؛ زیرا ضخامتش به‌اندازه یک اتم است.
این دستاورد شگرف با استفاده از ماده‌ای به اسم وندر والز زینکاکسید دوپینگ کبالت حاصل شده است. همان‌طورکه از نام آن پیدا است، این ماده از ترکیب گرافین‌اکسید و زینک و کبالت ساخته شده است. اکسید گرافین از واکنش دهیدرات استات با زینک و کبالت ایجاد می‌شود. البته هریک از مواد با نسبت‌های دقیقی در واکنش باید شرکت داده شوند. وقتی این ترکیب در خلأ واکنش می‌دهد، به‌آرامی یک لایه از زینکاکسید تشکیل و لابه‌لای اتم‌های آن کبالت پراکنده می‌شود. این ترکیب مثل ساندویچ تشکیل‌شده از چند لایه لای گرافین قرار می‌گیرد. سپس، وقتی این ترکیب درمعرض هوا قرار می‌گیرد و به آن حرارت داده می‌شود، اکسیژن موجود در هوا لایه‌های گرافین را می‌سوزاند و تنها یک لایه از زینکاکسید دوپینگ کبالت باقی می‌گذارد.
محققان برای آنکه بتوانند مطمئن شوند این آهنربا فقط از یک لایه اتم ساخته شده است، از میکروسکوپ الکترونی باید استفاده کنند. در روش یادشده، الکترون از ساختار کریستالی این آهنربا عبور و تصویری از تار و پود اتم‌های سازنده آن ارائه می‌کند.
فیزیک‌دانان ورقه نازک ساخته‌شده را آزمایش و خاصیت مغناطیسی آن را تأیید کردند؛ اما قدرت مغناطیسی این آهنربا با مقدار کبالت موجود در آن رابطه مستقیم دارد. وقتی این مقدار حدود ۵ تا ۶ درصد است، قدرت مغناطیسی آهنربا کم و ضعیف است. وقتی درصد کبالت را تا دو برابر، یعنی ۱۲ درصد، افزایش دادند، ماده آهنربایی به‌سرعت به آهنربایی قوی تبدیل شد؛ اما دانشمندان قصد داشتند خاصیت مغناطیسی این آهنربا را با کبالت ۱۵ درصد آزمایش کنند.
وقتی مقدار کبالت به ۱۵ درصد رسید، قدرت مغناطیسی این ماده به‌شدت افزایش پیدا کرد؛ به‌طوری‌که درون ماده چرخش‌های موضعی پدید آمد که دراثر رقابت بخش‌های مختلف آهنربا با یکدیگر ایجاد می‌شود. دانشمندان این پدیده را با نام سَرخوردگی می‌شناسند که می‌تواند نظم مغناطیسی را برهم زند؛ بنابراین، ۱۲ درصد عددی جادویی و مناسب برای ساخت این آهنربای ورقه‌ای است.
محققان متوجه شدند آهنربای دوبعدی ساخته‌شده نه‌تنها در دمای محیط، بلکه تا صد درجه سلسیوس (۲۱۲ درجه فارنهایت) از ساختار شیمیایی پایدار و خاصیت مغناطیسی برخوردار است و با‌‌‌توجه‌‌‌به اینکه زینکاکسید خاصیت فرومغناطیسی ندارد، این پدیده دانشمندان را شگفت‌زده کرده است.
در تمام موادی که خاصیت مغناطیسی دارند، دامنه‌های هم‌سویی از الکترون‌ها حکمرانی می‌کنند
رای چن، مهندس مواد و اولین مولف این مطالعه از دانشگاه برکلی، می‌گوید این آهنربای دوبعدی در‌مقایسه‌با سایر آهنرباهای دوبعدی از مکانیزم بسیار منحصر‌به‌فردی بهره می‌برد. او می‌افزاید: «بر این باوریم که این مکانیزم متفاوت مدیون الکترون‌های آزاد موجود در اکسید زینک است.»
درواقع، الکترون‌ها از خاصیت مغناطیسی بسیار ناچیزی بهره می‌برند و در میدان مغناطیسی خود قطب شمال و جنوب دارند. در بیشتر مواد آرایش و جهت‌گیری الکترون‌ها به‌گونه‌ای است که درمجموع قطب‌های شمال و جنوب یکدیگر را خنثی می‌کنند؛ اما در برخی مواد آرایش الکترونی متفات و جهت‌گیری الکترون‌ها در یک دامنه هم‌سو است. در تمام موادی که خاصیت مغناطیسی دارند، دامنه‌های هم‌سویی از الکترون‌ها حکمرانی می‌کنند.
الکترون‌های آزاد آن‌هایی هستند که به هسته اتم متصل نیستند. محققان بر این باورند که الکترون‌های آزاد موجود در اکسید زینک می‌توانند به‌عنوان واسطه عمل کنند و حتی در دماهای زیاد، الکترون‌های موجود در اتم‌های کبالت موجود در نوار آهنربا را هم‌سو نگاه دارند.
اختراع این ماده برای دانشمندان بسیار ارزشمند است؛ به‌طوری‌که محققان زیادی آماده انجام مطالعات فراوان روی آن هستند؛ به‌ویژه آنکه این ماده مسیرهای زیادی برای پیشرفت علم و فناوری به‌روی محققان می‌تواند باز کند. این ماده انعطاف‌پذیر است و به تولید انبوه نیز می‌تواند برسد که این ویژگی‌ها از آینده‌ای پر از احتمالات شگفت‌آور خبر می‌دهند.
یکی از این احتمالات، مطالعه تأثیر مغناطیسی اتم‌ها بر یکدیگر است که در حوزه فیزیک کوانتوم ارزشمند است. احتمال دیگر تحقیقات در حوزه اسپینترونیک (مطالعه چرخش الکترون‌ها) است. همچنین، برای تولید قطعات حافظه سبک و انعطاف‌پذیر می‌تواند استفاده شود که به تغییر جهت میدان مغناطیسی برای رمزگذاری داده‌های باینری متکی هستند. تجزیه‌و‌تحلیل و تحقیقات آینده به درک بهتر محدودیت‌های مواد کمک می‌کند. یائو درپایان می‌گوید:
نتایج حاصل از آزمایش ما حتی از حد تصورتمان بهتر و این موضوع واقعا هیجان‌انگیز است. اغلب مطالعات برای دانشمندان می‌توانند بسیار مشکل‌ساز باشند؛ اما وقتی سرانجام به حقیقت جدید پی می‌برید، نتایج همیشه بسیار رضایت‌بخش است.
این مقاله در نشریه نیچر منتشر شده است.
