أنصاف نواقل تتمغنط بالضوء

semiconducto1

زاد الاهتمام بإلكترونيات أنصاف النواقل المعتمدة على الأكاسيد خلال الأعوام الماضية، وكان السبب في ذلك القدرة العالية على تشكيل طبقات ذرية بدقة عالية من الأكاسيد. أهم المواد في هذا المجال المزدهر هي تيتانات السترونتيوم (SrTiO3)، وقد تمكّن باحثون في مخبر لوس ألاموس الوطني من مغنطة هذه المادة باستخدام الضوء، و استمر تأثير المغنطة لعدة ساعات.

*

يقول Scott Crooker المُشرف على المشروع :”لا يمكن للمرء أن يعتقد بأن هذه المادة قابلة للتمغنط. من المفترض أنها مادةٌ مفيدة جداً ولكن ليس كمادة ممغنطة. لذا عندما بدأنا بتعريضها للضوء حصلنا على إشارات مغناطيسية قوية ومستمرة، وقد استمر هذا الأثر حتى بعد إزالة المنبع الضوئي. لقد كانت مفاجأة بالنسبة لنا”.

*

ازدادت الدراسات على خواص تيتانات السترونتيوم الكهربائية والضوئية على الرغم من أن المادة ليست حديثة العهد. في الوقع لقد سُجلت المادة من خمسينيات القرن العشرين وكانت تُسمى “ألماس فو”، إلا أنها تراجعت أمام شعبية الزيركون المكعب. بالرغم من أن المادة تستخدم في المجالات الصناعية لقدرتها الكبيرة على عزل الكهرباء، إلا أن خواصها المغناطيسية لم تكن مفهومة بشكل جيد. وبعد ما أظهرته المواد القائمة على تيتانات السترونتيوم من خواص مغناطيسية لم تكن متوقعة ظهر اهتمام جديد في هذه المادة.

*

“لقد ظهرت في الأعوام الأخيرة دلائل مُحيّرة على أنه من الممكن أن يكون لتيتانات السترونتيوم أكثر مما هو متوقعٌ لها. وقد كشفت العديد من التجارب حول العالم مواصفات الناقلية الفائقة بالإضافة إلى المغناطيسية غير المتوقعة للمادة، وهذا ما أثار اهتمامنا في هذه المادة”. كما يقول Crooker.

*

“هذا أمرٌ جديد بالكامل في مجال مواد الأكاسيد المشابهة للمادة المذكورة؛ القدرة على أن نترك بصمة مغناطيسية في مادةٍ غير مغناطيسية. يكمن التحدي في فهم كيف ولماذا يحصل هذا الأثر، وأيضاً في رفع درجة الحرارة التي يمكن أن تتم فيها هذه النتائج. ما هو مثير في الأمر القدرة على استثمار هذه المادة في تخزين المعلومات بطريقةٍ ما”. كما يقول Chris Leighton، المشرف المشارك من جامعة مينيسوتا.

*

وفي ورقةٍ بحثية منشورة في مجلة Nature Materials، أظهر Crooker وزملاؤه جانباً جديداً للطبيعة المغناطيسية في مادة تيتانات السترونتيوم، حيث سجلوا ظهور حالة مغنطة في بلورات المادة تحت تأثير التحفيز الضوئي لها، وذلك عندما في وسطٍ من ذو أوكسجين منخفض.

*

وعبر استخدام العينات التي تم تحضيرها عبر مجموعة ليتون، أظهر Crooker وزملاؤه أن الضوء المستقطب دائرياً Circularly Polarized Light يستطيع أن يحفز نشوء عزماً مغناطيسياً طويل الأمد في بلورات تيتانات السترونتيوم، وذلك عندما تكون قيمة الحقل المغناطيسي المطبق تساوي للصفر، بمعنى آخر، تم تشكيل خواص مغناطيسية في المادة بمعزلٍ عن أي حقل مغناطيسي.

*

ظهرت الإشارات بدرجات حرارة أخفض من 18 كلفن، وتمكنت من الاستمرار لعدة ساعات عند درجات حرارة أقل من 10 كلفن، ويمكن التحكم بشدتها وإشارتها عبر الاستقطاب الضوئي الدائري للأطوال الموجية الزرقاء والخضراء التي تقع في المجال 400-500 نانومتر. وبذلك، فإنه يمكن القول بشكل مجازي أن عملية “كتابة” للأنماط المغناطيسية تمت على البلورة، وهذه الأنماط يمكن “قرائتها”، باستخدام الضوء فقط. تظهر هذه الآثار في البلورات ذات الشواغر الأوكسجينية، والتي يمكن أن تكشف عن تفاعل دقيق بين المغنطة، العيوب الشعرية، والضوء، ضمن هكذا بنية مادية معقدة من الأكاسيد.