Plasmonic Metasurfaces for Magnetic Skyrmion Control via the Inverse Faraday Effect
تُظهر هذه الورقة طريقةً حتمية، فائقة السرعة، وضوئية بالكامل لكتابة ومحو السكيرميونات المغناطيسية باستخدام سطح ميتا-بلازموني مغناطيسي يستفيد من تأثير فاراداي العكسي لتوليد نبضات مجال مغناطيسي متزامنة في نطاق البيكو ثانية، مما يتغلب على القيود العشوائية للاستثارة الحرارية من أجل تخزين البيانات الطوبولوجية عالي السرعة.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في السعي لبناء حواسيب أسرع، وأصغر، وأكثر كفاءة، نظر العلماء لفترة طويلة إلى الدوامات المغناطيسية الصغيرة الموجودة داخل مواد معينة. هذه الدوامات، المعروفة باسم "السكيرميونات المغناطيسية" (magnetic skyrmions)، هي عُقد مغناطيسية مستقرة تشبه الجسيمات، ويمكن حشدها معاً بكثافة لتخزين البيانات. ولأنها صغيرة جداً وتتطلب طاقة ضئيلة جداً للتحرك، تُعتبر مرشحة مثالية للجيل القادم من أجهزة الذاكرة وأنظمة الحوسبة. ومع ذلك، وقف عائق رئيسي في طريق استخدامها: فبينما يستطيع العلماء تحريك هذه العُقد المغناطيسية، كان إنشاء هذه العُقد أو تدميرها عند الطلب أمراً صعباً. تعتمد الطرق الحالية غالباً على تسخين المادة، وهي عملية غير متوقعة ويمكن أن تلحق الضرر بالهياكل الدقيقة. الأمر يشبه محاولة بناء بيت من ورق اللعب عن طريق النفخ بهواء ساخن؛ قد تجعل الأوراق تتحرك، لكن لا يمكنك ضمان مكان استقرارها بالضبط أو كيفية تفكيكها دون إسقاط الهيكل بأكمله.
لقد اقترح فريق من الباحثين طريقة مختلفة للتعامل مع هذه العُقد المغناطيسية، وهي طريقة تتجنب الحرارة تماماً وتستخدم الضوء بدلاً منها. فمن خلال الجمع بين نمط خاص من الأقراص الفضية مع غشاء مغناطيسي، أظهروا طريقة لكتابة، ومسح، وإعادة تشكيل هذه الهياكل المغناطيسية في أجزاء من تريليون من الثانية. يكمن المفتاح في هذه العملية في ظاهرة تُسمى "تأثير فاراداي العكسي". فعندما يصطدم الضوء المستقطب دائرياً — وهو الضوء الذي يدور أثناء انتقاله — بالأقراص الفضية، فإنه لا يسخنها فحسب، بل يدفع الإلكترونات داخل المعدن للتدفق في حلقة دائرية ضيقة. هذا التيار الكهربي المتدفق يولد نبضة مغناطيسية قوية وموضعية عند سطح المعدن مباشرة. وتكون هذه النبضة قوية بما يكفي لليّ العزوم المغناطيسية في الغشاء المجاور، مما يجبرها على تشكيل "سكيرميون"، أو إذا تم ضبط تردد الضوء بشكل مختلف، فإنها تفك هذا الالتواء وتعيد الغشاء إلى حالة مسطحة ومنتظمة.
صمم الباحثون سطحاً مغطى بشبكة سداسية من أقراص فضية صغيرة، يبلغ عرض كل منها حوالي 120 نانومتر. وقد اختاروا هذا الترتيب المحدد لأنه يخلق حالة من "الرنين"، وهي حالة ترتد فيها موجات الضوء في تناغم تام، مما يضاعف التأثير بشكل كبير. وعندما سلطوا نبضة ليزر ذات اتجاه دوران محدد على هذا السطح، ولدت الأقراص الفضية نبضة مجال مغناطيسي تصل قوتها إلى حوالي 0.6 تسلا. وقد وُجهت هذه النبضة مباشرة إلى غشاء مغناطيسي مكون من طبقات من الكوبالت والألومنيوم والبلاتين موضوع فوق الأقراص مباشرة. وفي المحاكاة الحاسوبية التي نمذجة سلوك هذه المواد، كانت نبضة ليزر واحدة تستمر لمدة 20 بيكوثانية كافية لإنشاء "سكيرميون" مستقر وبشكل حتمي. لم تكن العملية عشوائية؛ إذ حدد اتجاه دوران الضوء بدقة كيفية تشكل العقدة المغناطيسية.
إن ما يجعل هذا الاكتشاف مهماً للغاية هو القدرة على عكس العملية. فقد وجد الباحثون أنه بمجرد قلب اتجاه دوران الضوء، يمكنهم التحكم في مصير العقدة المغناطيسية. فإذا كان الغشاء المغناطيسي مثبتاً في مكانه بواسطة مجال مغناطيسي خارجي ضعيف، فإن نبضة الضوء المعكوسة ستفك العقدة المغناطيسية (السكيرميون) تماماً، مما يؤدي إلى مسحه وترك الغشاء أملساً تماماً وجاهزاً لبيانات جديدة. وهذا يوفر طريقة غير مدمرة لحذف المعلومات، وهي ميزة كانت مفقودة في الطرق الحرارية السابقة. والأكثر إثارة للدهشة هو أنه إذا قام الباحثون بإزالة ذلك المجال المغناطيسي المثبت، فإن نفس نبضة الضوء المعكوسة لن تمسح السكيرميون، بل ستحوله إلى هيكل أكثر تعقيداً يسمى "سكيرميونيوم" (skyrmionium)، والذي يتكون من حلقتين مركزيتين من المغناطيسية. إن هذه القدرة على التبديل بين حالات طوبولوجية مختلفة — إنشاء عقدة، أو مسحها، أو تحويلها إلى هيكل ذي حلقات مزدوجة — تشير إلى طريقة جديدة لتخزين عدة بتات من المعلومات في نقطة واحدة.
أظهرت عمليات المحاكاة أن هذه الدورة بأكملها تحدث في مقياس زمني بالبيكو ثانية، وهو ما يعادل ألف مرة أسرع من سرعة معالجات الكمبيوتر الحديثة. تعتمد العملية على قيام الضوء بإنشاء مجال مغناطيسي عابر يوجه المادة عبر مسار محدد: أولاً بتشكيل حلقة مؤقتة من المغناطيسية، والتي تسترخي بعد ذلك لتصبح عقدة مستقرة. وأشار الباحثون إلى أنه بينما أُجري عملهم من خلال نمذجة حاسوبية مفصلة باستخدام خصائص مواد واقعية، فإن الفيزياء المعنية مفهومة جيداً. كما عالجوا المخاوف المتعلقة بالطاقة المطل "، مشيرين إلى أن قدرة الليزر الفعلية المطلوبة في تجربة واقعية ستكون أقل بكثير مما تقترحه المحاكاة، مما يحافظ على سلامة الهياكل الفضية الدقيقة من التلف. ومن خلال إثبات أن الضوء يمكنه التحكم مباشرة وبشكل عكسي في هذه الأنسجة المغناطيسية دون حرارة، يفتح هذا العمل مساراً نحو أجهزة عالية السرعة وقابلة لإعادة التشكيل يمكن أن تحدث ثورة في كيفية تخزيننا للمعلومات ومعالجتها.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.