The effect of soft phase on magnetic properties and magnetization reversal process of Nd-Fe-B based multilayers

تُعد المغناطيسات الدائمة هي خيول العمل الصامتة في التكنولوجيا الحديثة، فهي موجودة في كل شيء، بدءاً من المحركات التي تحرك السيارات الكهربائية وصولاً إلى السماعات الصغيرة في سماعات الرأس الخاصة بنا. لعقود من الزمن، كانت أقوى المغناطيسات المتاحة تُصنع من مزيج محدد من النيوديميوم والحديد والبورون. وتُقدر هذه المواد لأنها تحتفظ بمجال مغناطيسي قوي، لكن العلماء اصطدموا بحائط مسدود: لا يمكنهم جعلها أقوى بسهء دون فقدان خصائص أساسية أخرى. ولتجاوز هذا الحد، استكشف الباحثون استراتيجية مختلفة: بناء مغناطيسات من مادتين متمايزتين موضوعتين في طبقات فوق بعضهما البعض. إحدى الطبقتين هي مادة مغناطيسية "صلبة" تقاوم فقدان مغناطيسيتها، وتعمل كمرساة. أما الطبقة الأخرى فهي مادة مغناطيسية "لينة" يسهل مغنطتها ولكن يسهل أيضاً فقدان مغناطيسيتها. والأمل هو أنه إذا وُضعت هاتان الطبقتان بالقرب من بعضهما البعض، فسيتمكنان من ربط اتجاهاتهما المغناطيسية معاً، مما يخلق مادة واحدة قوية جداً ومستقرة للغاية في آن واحد.

قام فريق من الباحثين في جامعة غويتشو للتجارة في الصين بالتعمق في كيفية تفاعل هذه الطبقات، مستخدمين محاكاة حاسوبية قوية لنمذجة سلوك هذه المواد على المستوى المجهري. وبدلاً من بناء هذه المغناطيسات فعلياً، وهو أمر قد يكون صعب التحكم فيه عند هذه المقاييس المتناهية الصغر، أنشأوا مختبراً رقمياً. لقد قاموا بمحاكاة أغشية رقيقة مكونة من النيوديميوم والحديد والبورون كطبقة صلبة، واختبروا أربع مواد لينة مختلفة: الحديد، ومركب حديد-نيتروجين محدد، وسبائك الحديد-كوبالت، ومركب حديد-بورون. ومن خلال تكديس هذه الطبقات في ترتيبات مختلفة — مثل وضع طبقة لينة محصورة بين طبقتين صلبتين، أو طبقة صلبة محصورة بين طبقتين ليتين — تمكنوا من مراقبة كيفية تصرف المجالات المغناطيسية بدقة مع تغيير سمك الطبقات اللينة.

كشفت عمليات المحاكاة أن سمك الطبقة اللينة هو "قرص تحكم" حاسم يمكن للعلماء تدويره لضبط أداء المغناطيس. فكلما زاد سمك الطبقة اللينة، أصبح المغناطيس أفضل في الاحتفاظ بمجال مغناطيسي قوي، ولكنه يصبح أضعف في مقاومة القوى الخارجية التي تحاول قلب مغناطيسيتها. وجد الباحثون أن هناك "نقطة مثالية" حيث يتوازن هذان التأثيران المتنافسان بشكل مثالي. وبالنسبة لأكثر التركيبات شيوعاً التي اختبروها، مع استخدام الحديد كطبقة لينة، حدث أفضل أداء عندما كان سمك الطبقة اللينة حوالي 4 نانومتر. عند هذا السمك المحدد، حققت المادة أقصى منتج طاقة قدره 84.54 MGOe، وهو مقياس لكمية الطاقة المغناطيسية التي يمكن للمغناطيس تخزينها. وكان هذا أعلى من الترتيبات الأخرى التي اختبروها، مثل وجود طبقة لينة واحدة بجانب طبقة صلبة، أو وجود طبقة صلبة محصورة بين طبقتين ليتين.

ومع ذلك، جاء الاكتشاف الأكثر إثارة للدهشة عند استبدال المادة اللينة نفسها. فعندما استخدموا مركباً مكوناً من الحديد والنيتروجين، المعروف باسم Fe16N2، كطبقة لينة، كانت النتائج أكثر دراماتيكية. في هذا التكوين، وصل المغناطيس إلى أقصى منتج طاقة قدره 109.38 MGOe عند سمك طبقة لينة يبلغ 4 نانومتر. وهذه القيمة أعلى بكثير مما تم تحقيقه مع المواد اللينة الأخرى. وأظهرت عمليات المحاكاة أن هذا الأداء الفائق يأتي من الطريقة الفريدة التي يتفاعل بها مركب الحديد-النيتروجين مع الطبقة الصلبة. فاللحظات المغناطيسية، وهي الأسهم الداخلية الصغيرة التي تشير إلى اتجاه المغناطيسية، تصطف بقوة كبيرة عبر الحدود بين المادتين. هذا الاتصال القوي يسمح للمغناطيس بتخزين المزيد من الطاقة دون فقدان استقراره.

كما درس الباحثون عن كثب عملية انعكاس المغناطيسية، وهي ما يحدث عندما تحاول قوة خارجية قلب أقطابه. في نظام الحديد-النيتروجين الأفضل أداءً، تحدث عملية الانعكاس بطريقة منظمة وخطوة بخطوة. تبدأ الأسهم المغناطيسية عند حواف المادة بالميل أولاً، ثم ينتشر هذا الميل ببطء نحو الداخل، مثل موجة تتحرك عبر حشد. وتتم السيطرة على هذه العملية من خلال آلية تسمى "التثبيت" (pinning)، حيث تعمل الحدود بين الطبقتين الصلبة واللينة كبوابة، تمنع حدوث الانعكاس بسرعة كبيرة أو بشكل فوضوي. وهذا السلوك المنضبط هو بالضبط ما يحتاجه المغناطيس عالي الأداء. وتشير الدراسة إلى أنه من خلال الاختيار الدقيق للمادة اللينة وسمكها، يمكن للعلماء تصميم مغناطيسات أقوى بكثير مما هو ممكن حالياً، مما يوفر مساراً واضحاً نحو الجيل القادم من التكنولوجيا المغناطيسية.