Skyrmionların neden cam ve yüksek sıcaklıklı süper iletkenlerle çok ortak noktası olabilir?
[ad_1]
Üst: Simülasyonlara dayalı görüntüler, skyrmionlar (elektronların dönüşleri tarafından oluşturulan küçük girdaplar) dahil olmak üzere maddenin üç fazının belirli manyetik malzemelerde nasıl oluşabileceğini gösteriyor. Bunlar elektron spin şeritleridir (solda); altıgen kafesler (sağda); ve ikisinin karışımı olan bir ara faz (merkez). Bu orta, cam benzeri durumda, skyrmionlar trafik sıkışıklığındaki arabalar gibi çok yavaş hareket eder – SLAC, Stanford, Berkeley Lab ve UC San Diego’daki bilim adamları tarafından yapılan son araştırmalarda yapılan birkaç keşiften biri. Altta: SLAC’ın Linac Tutarlı Işık Kaynağı X-ışını serbest elektron lazerinde skyrmion davranışının temellerini araştıran deneyler sırasında bir dedektörde oluşturulan desenler. Kredi: Esposito ve diğerleri, Uygulamalı Fizik Harfleri, 2020
Bilim adamları, manyetizmanın belirli şekillerde sıralanan elektronların dönüşleri tarafından yaratıldığını uzun zamandır biliyorlardı. Ancak yaklaşık on yıl önce, manyetik malzemelerde şaşırtıcı bir karmaşıklık katmanı daha keşfettiler: Doğru koşullar altında, bu dönüşler, parçacıklar gibi davranan ve onları oluşturan atomlardan bağımsız olarak hareket eden küçük girdaplar veya girdaplar oluşturabilir.
Küçük girdaplara skyrmion adı verilir ve adını 1962’de varlıklarını tahmin eden İngiliz fizikçi Tony Skyrme’den alır. Küçük boyutları ve sağlam yapıları – çözülmesi zor düğümler gibi – onları daha iyi anlamaya adanmış hızla genişleyen bir alana yol açmıştır. ve onların tuhaf niteliklerini sömürmek.
Energy Bakanlığı’nın SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’nda görevli bilim insanı ve Stanford Malzeme ve Enerji Bilimleri Enstitüsü’nün (SIMES) baş araştırmacısı Josh Turner, “Bu nesneler, bildiğimiz en karmaşık manyetik düzen biçimlerinden bazılarını temsil ediyor” dedi. SLAC’da.
“Skyrmionlar oluştuğunda,” dedi, “materyal boyunca hepsi aynı anda olur. Daha da ilginç olan, skyrmionların sanki bireysel, bağımsız parçacıklarmış gibi hareket etmeleridir. Bu, tüm dönüşlerin birbirleriyle iletişim kurduğu bir dans gibidir. birbirleriyle ve skyrmionların hareketini kontrol etmek için ahenk içinde hareket ederler ve bu arada altlarındaki kafesteki atomlar orada otururlar.”
Çok kararlı ve çok küçük oldukları için -bir atomun yaklaşık 1000 katı büyüklüğünde – ve küçük elektrik akımları uygulanarak kolayca hareket ettirilebildiklerinden, “Onların yeni bilgi işlem ve bellek depolama türleri için nasıl kullanılacağına dair birçok fikir var” dedi. daha küçük ve daha az enerji kullanan teknolojiler.”
Turner için en ilginç olanı, skyrmionların nasıl oluştuğunun ve nasıl davrandığının arkasındaki temel fiziktir. O ve DOE’nin Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı ve California Üniversitesi, San Diego’dan meslektaşları, SLAC’ın X-ışını serbest elektron lazeri Linac Coherent Light’ı kullanarak, skyrmionların faaliyetlerini doğal, bozulmamış hallerinde benzeri görülmemiş ayrıntılarla yakalamak için yöntemler geliştiriyorlar. Kaynak (LCLS). Nano ölçekte (bir inçin milyonda biri kadar küçük) ayrıntıları ölçmelerine ve saniyenin milyarda birinde meydana gelen değişiklikleri gözlemlemelerine olanak tanır.
Yakın tarihli bir dizi makalede, skyrmion’ların hareketlerinin çok yavaş olduğu ve trafik sıkışıklığındaki arabalar gibi sıkışıp kalmış gibi göründükleri cam benzeri bir aşama oluşturabileceğini öne süren deneyleri anlatıyorlar. Ayrıca, skyrmionların birbirine göre doğal hareketinin uygulanan bir manyetik alana tepki olarak nasıl salındığını ve değişebileceğini ölçtüler ve bu doğal hareketin asla tamamen durmadığını keşfettiler. Turner, sürekli var olan bu dalgalanmanın, skyrmionların yüksek sıcaklıktaki süper iletkenlerle pek çok ortak noktaya sahip olabileceğini gösterdiğini söyledi – nispeten yüksek sıcaklıklarda kayıpsız elektrik iletme yeteneği, dalgalanan elektron dönüşü ve yükü şeritleriyle ilgili olabilir.
Araştırma ekibi, LCLS X-ışını lazer ışını ile saniyenin sadece 350 trilyonda biri aralıklarla anlık görüntüler alarak, birçok alternatif demir ve gadolinyum katmanından yapılmış ince bir manyetik filmde skyrmion dalgalanmalarını gözlemleyebildi. Yöntemlerinin çok çeşitli malzemelerin fiziğini ve topolojilerini incelemek için kullanılabileceğini söylüyorlar – bir nesnenin şeklinin özelliklerini temelden değiştirmeden nasıl deforme olabileceğini tanımlayan matematiksel bir kavram. Skyrmionlar söz konusu olduğunda, onlara sağlam doğalarını veren ve yok edilmelerini zorlaştıran topolojidir.
Berkeley Laboratuvarı’nın Gelişmiş Işık Kaynağında görevli bilim insanı Sujoy Roy, “Bu tekniğin yoğun madde fiziğinde büyüyeceğini ve çok güçlü olacağını düşünüyorum, çünkü zaman içinde bu dalgalanmaları ölçmenin pek çok doğrudan yolu yok” dedi. “Süper iletkenler, karmaşık oksitler ve manyetik arayüzler gibi şeyler üzerinde yapılabilecek çok sayıda çalışma var.”
Bu çalışmada kullanılan materyali tasarlayan ve işleyen UC San Diego’daki Bellek ve Kayıt Araştırmaları Merkezi’nden bir bilim adamı olan Sergio Montoya, “Bu tür bilgiler, büyük ölçekli elektronikler geliştirirken önemlidir ve bunların nasıl olduğunu görmeniz gerekir. sadece küçük bir noktada değil, malzeme boyunca davranın.”
Atomik ölçekteki değişikliklerin hızlı anlık görüntüleri
Montoya, 2013 civarında demir-gadolinyum filmi incelemeye başladı. O zamanlar, belirli mıknatıslara manyetik alanlar uygulandığında skyrmion kafeslerinin oluşabileceği zaten biliniyordu ve oda sıcaklığında skyrmionları barındırabilen yeni malzemeleri keşfetmek için güçlü araştırma çabaları vardı. . Montoya, katmanlı malzemeleri özenle hazırladı, büyüme koşullarını skyrmion kafesinin özelliklerini ayarlamak için ayarladı – “malzemenin tasarımı ve uyarlanması bu tür çalışmalarda büyük bir rol oynar” dedi ve Roy ile birlikte çalışarak bunları inceledi. Gelişmiş Işık Kaynağından X-ışınları.
Bu arada Turner ve LCLS’deki ekibi, son derece yüksek deklanşör hızlarında atomik ölçekteki dalgalanmaların anlık görüntülerini almak için bir kameraya benzeyen yeni bir araç geliştiriyorlardı. Her biri saniyenin milyarda birinin yalnızca milyonda biri uzunluğundaki iki X-ışını lazer darbesi, saniyenin milyonda biri ile milyarda biri arasında bir numuneye çarptı. X-ışınları bir dedektöre uçar ve her biri parmak izi kadar benzersiz olan ve malzemenin karmaşık yapısındaki ince değişiklikleri ortaya çıkaran “benek desenleri” oluşturur.
LCLS bilim adamı Matt Seaberg, “Örneği rahatsız etmeyen çok düşük yoğunluklu yumuşak X-ışını darbeleri kullanıyoruz” dedi. “Bu, malzemedeki içsel dalgalanmaları ve aralarındaki çok kısa zaman aralığında nasıl değiştiklerini ortaya çıkaran iki anlık görüntü elde etmemizi sağlıyor.”
LCLS, Berkeley Lab ve UC San Diego ekiplerinin bu yeni aracı skyrmions’ta hedeflemek için güçlerini birleştirmesinden çok önce değildi.
Turner’ın dediği gibi, “Bir teleskop aldığınızı ve ilk olarak nereye doğrultacağınızı seçtiğinizi hayal edin. Skyrmions iyi bir seçim gibi görünüyordu – davranışları hakkında pek çok bilinmeyene sahip egzotik manyetik yapılar.”
İleride daha güçlü araçlar
Seaberg, bu deneylerde gördüklerine dayanarak, “Temelde, içsel salınımlarına neden olabilecek bitişik skyrmionlar arasındaki etkileşim olduğunu düşünüyoruz” dedi. “Hala bunu anlamaya çalışıyoruz. Yaptığımız ölçüm türlerinden tam olarak neyin salındığını görmek zor. Neler olduğunu nasıl anlayabileceğimiz ve ölçtüğümüz sinyallerin gerçekte ne anlama geldiği konusunda çok tartıştık. ”
Bu deneyler için inşa ettikleri özel alet, o zamandan beri başka şeylere yer açmak için parçalara ayrıldı. Ancak, büyük bir LCLS yükseltmesinin parçası olan yeni bir deney istasyonunun parçası olarak yeniden kurulacak – ekip, süper iletkenler gibi malzemelerdeki dalgalanmalar üzerine bu yeni deney sınıfını sürdürmek için ideal bir yer ve aynı zamanda verimli ve işbirlikçi bir bilimsel Montoya’nın “neşeli bir yolculuk” olarak tanımladığı yolculuk.
Turner, “LCLS’de sahip olduğumuz özel yeteneklerle bu tür manyetik nesneler hakkında ne kadar çok şey öğrendiğimiz dikkat çekici. Bu proje çok eğlenceliydi. Bu kadar harika bir ekiple ve denenecek çok şey varken, kelimenin tam anlamıyla keşfedilmeyi bekleyen bir bilgi hazinesi var.”
Skyrmion’ların yaşam döngüsünü enfes ayrıntılarla gözlemlemek
[ad_2]