مفهوم داده‌های دودویی
اعتبار: © gonin / Adobe Stock
 
تحقیقاتی که توسط بخشی از ارتش ایالات متحده تأمین مالی شده است، ویژگی هایی از مواد را شناسایی کرده اند که روزی می توانند منجر شوند به برنامه های کاربردی‌ای مانند دستگاه های ذخیره داده قوی‌تر که حتی پس از خاموش شدن دستگاه همچنان اطلاعات را نگه می دارند.
 
گروهی از محققان تحت رهبری دانشگاه کورنل و دانشگاه کالیفرنیا برکلی کشفی به عمل آورده اند که مجموعه‌ای عظیم از سیستم های مواد و پدیده های فیزیکی که اکنون می توان کاوش کرد را افتتاح می کند.
 
دانشمندان آنچه را که در اسکیرمیون‌های قطبی در یک ماده مصنوعیِ به نحوی عالی طراحی و ترکیب شده با خواص الکتریکی برگشت پذیر برای اولین بار به عنوان کایرالیتی شناخته شد مشاهده کردند. کایرالیتی جایی است که دو جسم، مانند یک جفت دستکش، می توانند تصاویر آینه‌ای یکدیگر باشند اما نمی توانند بر هم منطبق شوند. اسکیرمیون های قطبی بافت هایی هستند ساخته شده از بارهای الکتریکی مخالف شناخته شده با عنوان دو قطبی ها.
 
محققان همیشه تصور می کردند که اسکیرمیون ها تنها در مواد مغناطیسی ظاهر می شوند، جایی که تعاملات ویژه بین اسپین های مغناطیسی الکترون های باردار الگوهای کایرال پیچشی اسکیرمیون ها را تثبیت می کند. آنها گفتند هنگامی که تیم اسکیرمیون هایی را در مواد الکتریکی کشف کرد، آنها شگفت زده شدند.
 
ترکیبی از اسکیرمیون های قطبی و این خواص الکتریکی ممکن است امکان توسعه دستگاه های بدیعی را بدهد که مورد علاقه ویژه ارتش هستند، به خصوص با استفاده از کایرالیتی به عنوان پارامتری که می تواند دستکاری شود.
 
دکتر رامامورثی رامش، پژوهشگر همکار اصلی این پروژه گفت: "اکنون که می دانیم که اسکیرمیون های قطبی / الکتریکی کایرال هستند، می خواهیم ببینیم که آیا می توانیم آنها را به صورت الکتریکی دستکاری کنیم." "اگر من میدان الکتریکی اعمال کنم، آیا می توانم هر یک را مانند یک گردان در بگردانم؟ آیا می توانم هر یک را، یک بار در هر نوبت، مانند یک چِکِر روی تخته بازی چِکِرز حرکت دهم؟ اگر بتوانیم در موضوع ذخیره داده ها به طریقی آنها را حرکت دهیم، آنها را بنویسیم، و آنها را پاک کنیم، آنگاه این تکنولوژی جدیدِ شگفت انگیزی خواهد بود. "
 
محققان یافته های خود را در مجله Nature منتشر کردند.
 
دکتر پانی (چاکراپانی) واراناسی، رئیس بخش مطالب علمی دفتر تحقیقات ارتش، که یکی از عناصر آزمایشگاه تحقیقاتی فرماندهی نیروی رزمی ارتش آمریکا است، گفت: "این کشف بی بدیل در آینده می تواند برای توسعه ساختارهای دستگاه مورد استفاده قرار گیرد که می توانند برای بهبود منطق / حافظه، حسگری، ارتباطات و سایر برنامه های کاربردی برای ارتش و نیز صنعت قابل استفاده باشند."
 
وقتی تیم در سال 2016 شروع به کار کرد، آنها لازم بود راه هایی را پیدا کنند برای کنترل چگونگی انتقال حرارت از طریق مواد. آنها یک ساختار کریستالی ویژه به نام سوپر شبکه از لایه های متناوب تیتانات سرب (یک ماده الکترو قطبی، که در آن یک سر به طور مثبت باردار شده و انتهای مخالف منفی است) و استرونتیوم تیتانات (یک عایق، یا ماده ای که هادی جریان الکتریسیته نیست) ساختند.
 
تیم تحقیقاتی شروع به کاوش ترکیبی از اکسیدها که به طور مصنوعی طراحی و پیکر بندی شده است کرد با این هدف که پدیده های برآمده را کاوش کند. پدیده های در حال ظهور در طبیعت فراگیر هستند - شنای ماهی در یک مدرسه، شکل گیری پرندگان در حال پرواز، ظهور جمعیت و توده ها، همگی نمونه هایی هستند از این که چگونه تعاملات موضوعات گسسته (ماهی، پرندگان، انسان) می تواند منجر به رفتار جمعی غیر منتظره شود. مواد نیز می توانند چنین رفتارهای ظهوری را به نمایش بگذارند، به ویژه هنگامی که تحت محدودیت قرار گیرند.
 
هنگامی که دانشمندان اندازه گیری های اسکن میکروسکوپ الکترونی انتقالی را از سوپر شبکه‌ی به صورت مصنوعی مهندسی شده‌ی تیتانات سرب / تیتانات استرونتیوم گرفتند، آنها چیز عجیب و غریبی دیدند که هیچ ارتباطی با گرما نداشت: تشکل های حباب مانند، همه‌ی ماده را در بر گرفته بود. تیتانات سرب یکی از مواد شناخته شده فرو الکتریک است، در حالی که تیتانات استرونتیوم  ترکیب خواهرش، در دمای اتاق فرو الکتریک نیست. فرو الکتریک ماده ای دارای قطبش الکتریکی خود به خودی است که قطبش آن می تواند با استفاده از یک میدان الکتریکی خارجی معکوس شود.
 
آن حباب ها، معلوم شد که، اسکیرمیون های قطبی بودند.
 
دیوید مولر از دانشگاه کورنل با استفاده از میکروسکوپ الکترونی انتقالی روبشی پیشرفته در آزمایشگاه برکلی و در مرکز تحقیقات مواد کرنل، عکس‌های اتمی لحظه ای از کایرالیتی اسکیرمیون ها در دمای اتاق به صورت بلادرنگ گرفت. هنگامی که تیم اسکیرمیون هایی را در مواد الکتریکی کشف کرد، آنها شگفت زده شدند. محققان کشف کردند که نیروهای واقع بر روی لایه تیتانات سرب قطبی توسط لایه تیتانات استرونتیوم غیر قطبی حباب های اسکیرمیون قطبی را در تیتانات سرب ایجاد می کند.

رامش گفت: "مواد مانند مردم هستند." "هنگامی که افراد تحت تأثیر قرار می گیرند، به روش هایی غیرقابل پیش بینی واکنش نشان می دهند و این همان کاری است که مواد نیز انجام می دهند: در این مورد، با احاطه‌ی تیتانات سرب توسط تیتانات استرونتیوم، تیتانات سرب شروع به دیوانگی می کند و یکی از راه های دیوانگی‌اش خلق بافت های قطبی شبیه اسکیرمیون‌هاست به جای این که به طور یکنواخت قطبیده باشد."
 
شلوم گفت: "این کار، کشف یک پدیده‌ی اساسی جدید در سوپر شبکه های اکسیدی را مقدور ساخته است." "ما اکنون یک الگوی مبتنی بر اپیتَکسی برای ایجاد بسیاری دیگر از جهان های علمی داریم. به عنوان مثال، ما می توانیم شروع به بررسی کوپلینگِ اسپین-بار در چنین سوپر شبکه هایی بکنیم؛ که کار در این زمینه در حال حاضر در حال انجام است."
 
محققان همچنین قصد دارند تا اثرات استفاده از میدان الکتریکی بر روی اسکیرمیون های قطبی را مطالعه کنند.
 
محققان دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا و آزمایشگاه ملی اوج ریج نیز در این مطالعه شرکت کردند.
 

منبع: آزمایشگاه تحقیقاتی ارتش ایالات متحده