نیمه رساناهای مغناطیسی رقیق شده

فیزیک نیمه رساناها علم بسیار تعالی یافته‌ای است که تأثیر ژرفی بر تمامی وجوه پیشرفت‌های تکنولوژی ما داشته است. برای مثال، تکامل «چیپ» نیمه رسانا در زمینۀ کامپیوترها و مخابرات انقلاب کاملی به وجود آورده است و به تدریج اثرات آن در بسیاری از جنبه‌های زندگی مشهود می‌شود.
در حال حاضر نیمه رساناهای عنصری (برای مثال، سیلیسیوم) و نیمه رساناهای مرکب (آرسنید گالیوم) موجودند. هم‌چنین ساختن آلیاژهای نیمه رسانای چند مؤلفه‌ای (مانند آلیاژ سه گانۀ GaAiAs) امکان دارد، که می‌توان خواص آن‌ها را از طریق کنترل ترکیب‌شان پیوسته تغییر داد.
در سال‌های اخیر، خصوصاً در شش سال گذشته، دستۀ جدیدی از آلیاژهای نیمه رسانا معروف به نیمه رساناهای مغناطیسی رقیق شده (یا «نیمه مغناطیسی») (فردینا ) توجه بسیار زیادی را در تمام دنیا به خود جلب کرده است. نیمه رساناهای مغناطیسی رقیق شده (DMS) مواد آلیاژی هستند که شبکۀ بلوری آن‌ها حاوی یون‌های مغناطیسی «جانشینی» است. CdMnTe نمونه‌ای است از یک چنین دستگاهی: کسری از اتم‌های Cd در بلور CdTe «میزبان» به طور کتره‌ای جای خود را به یون مغناطیسی (در این مثال، منگنز) می‌دهند. تعداد زیادی از چنین سیستم‌های سه‌تایی را می‌توان تهیه کرد (پاجاژکوسکا ).
این مواد به سه دلیل جالب توجه و مهم‌اند. اولاً، خواص DMSـ گاف انرژی، پارامتر شبکه، و غیره‌ ـ را می‌توان کاملاً مطابق میل انتخاب کرد، همان‌طور که در مورد آلیاژهای سه‌تایی غیر مغناطیسی می‌توان چنین کرد. یک نمونۀ برجستۀ نیمه رساناهای کدر CdTe است، که وقتی تعداد هرچه بیش‌تری از اتم‌های Cd جای خود را به Mn می‌دهند، به تدریج شفاف می‌شود (بوتکا و دیگر).
ثانیاً، از آن‌جا که DMSها آلیاژهای مغناطیسی رقیق شده، و در نتیجه نامنظم هستند، خواص مغناطیسی فوق‌العاده جالبی از خود بروز می‌دهند. برای مثال، در دماهای زمزاییک، DMSها تبدیل به «شیشه‌های اسپینی» می‌شوند، یعنی، اسپین‌های هم‌بسته به یون‌های مغناطیسی در شکل‌بندی «منجمد» می‌شوند که هیچ نظم بلند بردی ندارد (گالازکا و دیگر ). به علاوه، در مورد DMS، سازوکار به وجود آورندۀ چنین انجماد کتره‌ای، موسوم به واماندگی شبکه، در طبیعت نادر است و این امر موجب می‌شود که DMS برای کسی که مغناطیس می‌خواند بسیار جالب باشد.
ثالثاً، وجود یون‌های مغناطیسی در شبکۀ DMS به برهم‌کنش نیرومندی ‌ـ موسوم به «برهم‌کنش مبادله‌ای»ـ بین اسپین‌های گشتاورهای مغناطیسی جایگزیده و اسپین‌های الکترون‎‌های باند منجر می‌شود، همان الکترون‌های باند که به وجود آورندۀ خواص ویژۀ نیمه رساناها هستند. این به نوبۀ خود تأثیر ژرفی بر بسیاری از خواص اپتیکی و الکتریکی دارد، که کاملا منحصر به DMS است (میسیلسکی ). مشاهدۀ چرخش فارادۀ (چرخش صفحۀ قطبش نور انتقال یافته به هنگام اِعمال میدان مغناطیسی) بسیار بزرگ در CdMnTe، که نوعاً دو مرتبۀ بزرگی از چرخش فارادۀ مشاهده شده در نیمه رساناهای غیر مغناطیسی، مانند CdTe، بزرگ‌تر است (گاج و دیگر 1978)، نمونه‌ای از چنین اثر اپتیکی است که توسط مبادله القا می‌شود، مشاهدۀ چشم‌گیر مغناطو مقاومت منفیِ در HgMnTe است. مشاهده شده است که رسانایی در دماهای خیلی پایین در میدان 70KG، تا هفت مرتبۀ بزرگی افزایش می‌یابد (وجتویژ و میسیلسکی ).
پدیده‌های مرتبط با مبادله در DMS، مانند آن‌هایی که در بالا ذکر شدند، در واقع «محصولات مشترک» دو رشتۀ تعالی یافتۀ فیزیک نیمه رساناها و مغناطیسند، دو رشته‌ای که به ندرت وجه اشتراک دارند. این شرایط، و نو ظهور بودن پدیده‌ها، موجب می‌شود که پژوهش اساسی این پدیده‌ها جالب باشد. هم‌چنین، تنها بزرگ بودن اثرهایی مانند آن‌چه در بالا توصیف شد، این نوید را می‌دهد که از آن‌ها در وسایل نیمه رسانا استفاده خواهد شد.
تا سال‌های اخیر، بیش‌تر فعالیت‌های مربوط به این زمینه در چهار مؤسسه متمرکز بوده است: دانشگاه پوردو، که پیش‌قراول پژوهش در زمینۀ DMS در ایالات متحده بوده و از سال 1969 به طور پیوسته در این زمینه فعالیت داشته است؛ گروه نیمه رسانا در لهستان که در ورشو مستقر است از حدود سال 1973 تا کنون به طور عمده عهده‌دار ترویج پژوهش DMS در جامعۀ فیزیک اروپا بوده است؛ دانش‌سرای عالی در پاریس؛ و مؤسسۀ ونزوئلایی پژوهش‌های علمی (IVIC) در ونزوئلا. با وجود این، اخیراً، فعالیت در پژوهش‌های DMS با سرعت فوق‌العاده زیادی در سراسر دنیا گسترش یافته است. طی دو سال 1972ـ 1973 تنها چهار مقاله، و در 1977ـ 1978 تعداد 20 مقاله دربارۀ DMS منتشر شده بود؛ در 1981ـ 1982 بیش از 90 مقاله دربارۀ این موضوع در مجلات معتبری که مقالات را پس از اظهارنظر داور منتشر می‌کنند، آمده است.
در نیمه‌رساناهای مغناطیسیِ رقیق شده، پدیده‌های مهم الکتریکی و اپتیکی همگی در مادۀ منفردی متجلی می‌شوند، و این وضعیت منحصر به فردی است که در چندین سال آینده ممکن است فیزیک نوین شگفت‌انگیزی از آن نشأت بگیرد.