دانشمندان تا به حال فقط از وجود عایق‌هایی با خاصیت مغناطیسی تک‌بُعدی آگاه بودند. با این حال، گروهی از محققان به تازگی مغناطیس تک‌بعدی منحصر به فردی را در ترکیب فلزی Ti4MnBi2 مشاهده کرده‌اند.

به نقل از آی‌ای، میگان آرونسون(Meigan Aronson)، یکی از محققان و استاد مؤسسه ماده کوانتومی بلوسون(UBC Blusson QMI) می‌گوید: ما وجود یک کلاس جدید از مواد کوانتومی را ثابت کردیم که هم فلزی و هم آهنربای یک بُعدی، با جفت شدن قوی بین گشتاورهای مغناطیسی و میزبان فلزی آنها هستند.

این یافته‌ها همچنین شواهدی از یک «فضای حالت» ارائه می‌دهند؛ مفهومی که در فیزیک برای توصیف همه حالت‌های ممکن یک سامانه استفاده می‌شود. این مانند نقشه‌ای است که در آن هر نقطه، ترکیبی منحصر به فرد از متغیرهای سامانه مانند موقعیت و تکانه را نشان می‌دهد.

مغناطیس تک‌بعدی در یک فلز

ترکیب فلزی Ti4MnBi2 تنها دومین ماده فلزی شناخته شده با مغناطیس تک‌بعدی اثبات شده است. نام ترکیب فلزی دیگر، Yb2Pt2Pb است.

ترکیب فلزی Ti4MnBi2 همچنین اولین ماده‌ای است که مغناطیس آن به شدت با ماهیت فلزی آن مرتبط است و آن را واقعاً منحصر به فرد می‌کند.

نویسندگان این مطالعه زنجیره‌های اسپین را در Ti4MnBi2 مورد مطالعه قرار دادند. زنجیره اسپین مانند یک مجموعه آهنرباهای ریز است که طوری چیده شده‌اند که به راحتی می‌توانند بر یکدیگر تأثیر بگذارند.

محققان از پراکندگی نوترون، همراه با شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای پیشرفته استفاده کردند و دریافتند که Ti4MnBi2 ماده کمیابی است که با نوع خاصی از مدل مطابقت دارد.

وقتی صحبت از مواد سه‌بعدی می‌شود، آنها ساختارهای مرتبی را در دماهای پایین تشکیل می‌دهند. با این حال، سامانه‌هایی مانند Ti4MnBi2 تحت تسلط نوسانات کوانتومی هستند، بنابراین در یک ساختار ثابت قرار نمی‌گیرند.

در مدل ویژه، اسپین‌ها در Ti₄MnBi₂ در الگوهای ساده قرار نمی‌گیرند، زیرا تعاملات آنها نامنظم است و آنها به گونه‌ای رقابت می‌کنند که از هم‌ترازی آسان جلوگیری می‌کند.

این امر، حالت‌های مغناطیسی پیچیده‌ای ایجاد می‌کند که فقط در دمای صفر مطلق وجود دارند و مغناطیس تک‌بعدی در یک ترکیب فلزی را تایید می‌کنند.

آرونسون توضیح داد: با اثبات وجود این حد وسط، Ti4MnBi2 گام مهمی در جهت ایجاد یک چشم‌انداز کوانتومی وسیع برای اکتشاف ارائه می‌دهد و ممکن است مطابقت عالی بین آزمایش و تئوری محاسباتی که ما نشان داده‌ایم، به عنوان معیاری برای شبیه‌سازی کوانتومی عمل کند.

پنجره‌ای به سوی احتمالات کوانتومی جدید

نتایج حاصل از این مطالعه می‌تواند نه تنها یک کاربرد، بلکه پیامدهای گسترده‌ای داشته باشد. برای مثال، داده‌های پراکندگی نوترونی می‌تواند به مقایسه نتایج دنیای واقعی با مدل‌های نظری مختلف درهم‌تنیدگی کوانتومی که یک مفهوم کلیدی در فناوری‌های کوانتومی است، کمک کند.

علاوه بر این، موادی مانند Ti₄MnBi₂ می‌توانند دستگاه‌هایی با حافظه سریع‌تر و کارآمدتر را محقق کنند، زیرا می‌توانند منجر به پیشرفت در اسپینترونیک (فناوری استفاده کننده از اسپین‌های الکترون برای پردازش داده‌ها) شوند.

آلبرتو نوسرا(Alberto Nocera)، یکی از نویسندگان این مطالعه می‌گوید: کار ما یک بستر آزمایشی ایده‌آل برای نمایش مزیت‌های کوانتومی در چارچوب شبیه‌سازی آنالوگ کوانتومی است. همچنین بینش‌هایی را ارائه می‌دهد که می‌تواند برای توسعه حافظه‌های مغناطیسی منحصر به فرد با چگالی و سرعت بالا مفید باشد.

محققان در حال حاضر 100 دسته از بلورهای Ti4MnBi2 تولید کرده‌اند و 400 دسته دیگر در خط تولید هستند. آنها در آزمایشات بعدی مورد استفاده قرار خواهند گرفت.

این مطالعه در مجله Nature Materials منتشر شده است.