ابتكر فيزيائيون من جامعة سنغافورة الوطنية مفهومًا يمكن أن يحفز ويقيس بشكل مباشر تقسيم الدوران في المواد ثنائية الأبعاد. باستخدام هذا المفهوم، حققوا تجريبيًا قابلية ضبط كبيرة ودرجة عالية من استقطاب الدوران في الجرافين. تتمتع نتيجة البحث هذه بالقدرة على تعزيز تطوير مجال الإلكترونيات الدورانية ثنائية الأبعاد وتطبيقها على الإلكترونيات منخفضة الطاقة.
من التحديات الكبيرة التي تواجه الإلكترونيات الحديثة، وخاصة الأجهزة مثل أجهزة الكمبيوتر الشخصية والهواتف الذكية، توليد طاقة حرارية عندما يمر تيار كهربائي عبر مادة ما، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة المادة.
أحد الحلول المحتملة هو استخدام الدوران بدلًا من الشحن في الدوائر المنطقية. نظرًا لتقليل أو إلغاء تسخين جول، يمكن لهذه الدوائر من حيث المبدأ أن توفر استهلاكًا منخفضًا للطاقة وسرعات فائقة السرعة. أدى هذا إلى ظهور مجال الإلكترونيات السبينية الناشئ.
يعتبر الجرافين مادة ثنائية الأبعاد مثالية للإلكترونيات السبينية بسبب طول انتشاره الدوراني الطويل وعمر دورانه الطويل، حتى في درجة حرارة الغرفة. على الرغم من أن الجرافين نفسه ليس لديه قطبية دورانية، إلا أن وضعه بالقرب من مادة مغناطيسية يمكن أن يحفزه على إظهار سلوك تقسيم الدوران. ومع ذلك، هناك تحديان رئيسيان موجودان حاليًا. أحدهما هو عدم وجود طريقة مباشرة لتحديد طاقة تقسيم الدوران، والآخر هو أن خصائص الدوران وقابلية ضبط الجرافين محدودة.
اختراق في إلكترونيات الجرافين
اقترح فريق بحث بقيادة البروفيسور أريدو من قسم الفيزياء في جامعة سنغافورة الوطنية مفهومًا مبتكرًا لقياس طاقة تقسيم الدوران في الجرافين المغناطيسي بشكل مباشر باستخدام تحول قطاع لانداو. تحول قطاع لانداو هو التحول في التقاطع عند رسم التوافق الخطي لتردد التذبذب مقابل حامل الشحنة، والذي يحدث بسبب تقسيم مستويات الطاقة للجسيمات المشحونة في المجال المغناطيسي. ويمكن استخدامه لدراسة الخصائص الأساسية للمادة.
علاوة على ذلك، يمكن ضبط طاقة تقسيم السبين المستحثة على نطاق واسع من خلال تقنية تسمى التبريد الميداني. يوفر الاستقطاب الدوراني العالي الذي لوحظ في الجرافين، إلى جانب إمكانية ضبط طاقة تقسيم الدوران، وسيلة واعدة لتطوير إلكترونيات سبينية ثنائية الأبعاد للأجهزة الإلكترونية منخفضة الطاقة.
وقد نشرت النتائج مؤخرا في مجلة المواد المتقدمة .
التحقق التجريبي والدعم النظري
أجرى الباحثون سلسلة من التجارب للتحقق من صحة طريقتهم. لقد قاموا بإنشاء بنية الجرافين المغناطيسي عن طريق تكديس طبقة واحدة من الجرافين أولاً على أكسيد العازل المغناطيسي Tm3Fe5O12 (TmIG). سمح لهم هذا الهيكل الفريد بقياس قيمة طاقة تقسيم الدوران بشكل مباشر البالغة 132 ميجا فولت في الجرافين المغناطيسي باستخدام تحول قطاع لانداو.
ولتأكيد العلاقة المباشرة بين تحول قطاع لانداو وطاقة تقسيم الدوران، أجرى الباحثون تجارب تبريد ميدانية لضبط درجة تقسيم الدوران في الجرافين. كما قاموا بتطبيق تقنية ثنائية اللون الدائرية المغناطيسية للأشعة السينية (ثنائية اللون الدائرية المغناطيسية للأشعة السينية) في مصدر ضوء السنكروترون في سنغافورة للكشف عن أصل استقطاب الدوران.
قال الدكتور وو جون شيونغ، المؤلف الأول لورقة البحث وباحث كبير في قسم الفيزياء في جامعة سنغافورة الوطنية: "يحل عملنا جدلا طويل الأمد في الإلكترونيات السبينية ثنائية الأبعاد من خلال اقتراح مفهوم استخدام تحول قطاع لانداو لتحديد كمية تقسيم الدوران في المواد المغناطيسية بشكل مباشر".
ولدعم نتائجهم التجريبية بشكل أكبر، تعاون الباحثون مع فريق نظري بقيادة البروفيسور تشياو تشن هوا من جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين لحساب طاقة تقسيم الدوران باستخدام المبادئ الأولى. النتائج النظرية التي تم الحصول عليها تتفق مع البيانات التجريبية. بالإضافة إلى ذلك، استخدموا التعلم الآلي لملاءمة البيانات التجريبية المستندة إلى نموذج ظاهري للحصول على فهم أعمق لقابلية ضبط طاقة تقسيم الدوران عن طريق تبريد المجال.
قال البروفيسور أرياندو: "يطور عملنا مسارًا قويًا وفريدًا من نوعه لتوليد واكتشاف ومعالجة دوران الإلكترون في المواد الرقيقة ذريًا. كما يوضح التطبيق العملي للذكاء الاصطناعي في علم المواد. ومع التطور السريع والاهتمام الكبير في مجال المغناطيسية المستحثة بالتراص في المغناطيس ثنائي الأبعاد والهياكل المتغايرة الرقيقة ذريًا لفان دير فال، نعتقد أنه يمكن تعميم نتائجنا على مجموعة متنوعة من الأنظمة المغناطيسية ثنائية الأبعاد الأخرى".
بناءً على دراسة إثبات المفهوم هذه، يخطط الفريق لاستكشاف التحكم في التيارات الدورانية في درجة حرارة الغرفة. هدفهم هو تطبيق نتائج أبحاثهم على تطوير دوائر منطق الدوران ثنائية الأبعاد وأجهزة الذاكرة / الاستشعار المغناطيسية. إن القدرة على التنظيم الفعال لاستقطاب التيارات الدورانية تضع الأساس لتحقيق ترانزستورات ذات تأثير مجال الدوران الكهربائي بالكامل، مما يبشر بعصر جديد من الأجهزة الإلكترونية منخفضة الطاقة وفائقة السرعة.
المصدر المجمع: ScitechDaily