يمكن للمواد الكمومية الفريدة أن تمكن أجهزة كمبيوتر مدمجة فائقة القوة

تنتقل المعلومات في أجهزة الكمبيوتر عبر أشباه الموصلات عن طريق حركة الإلكترونات وتخزن في اتجاه دوران الإلكترون في المواد المغناطيسية. لتقليص الأجهزة مع تحسين أدائها – وهو هدف مجال ناشئ يسمى الإلكترونيات الدوارة (“spintronics”) – يبحث الباحثون عن مواد فريدة تجمع بين خصائص الكم. وجد فريق من الكيميائيين والفيزيائيين في جامعة كولومبيا ، بالكتابة في Nature Materials ، صلة قوية بين نقل الإلكترون والمغناطيسية في مادة تسمى بروميد كبريتيد الكروم (CrSBr).

تم إنشاء CrSBr في مختبر الكيميائي Xavier Roy ، وهو ما يسمى بلورة van der Waals التي يمكن تقشيرها إلى طبقات ثنائية الأبعاد قابلة للتكديس تكون مجرد ذرات قليلة رقيقة. على عكس المواد ذات الصلة التي يتم تدميرها بسرعة بواسطة الأكسجين والماء ، فإن بلورات CrSBr مستقرة في الظروف المحيطة. تحافظ هذه البلورات أيضًا على الخواص المغناطيسية عند درجة حرارة عالية نسبيًا تبلغ -280 فهرنهايت ، مما يؤدي إلى تجنب الحاجة إلى الهيليوم السائل الباهظ الثمن الذي يتم تبريده إلى درجة حرارة -450 فهرنهايت ،

قال إيفان تيلفورد ، باحث ما بعد الدكتوراة في مختبر روي وحصل على درجة الدكتوراه في الفيزياء من كولومبيا في عام 2020: زملاؤه ناثان ويلسون وشياودونغ شو في جامعة واشنطن وشياويانغ تشو في كولومبيا وجدت ارتباط بين المغناطيسية وكيف يستجيب CrSBr للضوء. في العمل الحالي ، قاد تيلفورد الجهود لاستكشافها الخصائص الإلكترونية.

استخدم الفريق ملف الحقل الكهربائي لدراسة طبقات CrSBr عبر مختلف كثافة الإلكترون والمجالات المغناطيسية ودرجات الحرارة — معلمات مختلفة يمكن تعديلها لإنتاج تأثيرات مختلفة في مادة ما. مع تغير الخصائص الإلكترونية في CrSBr ، تغيرت مغناطيسيته.

قال روي: “تتمتع أشباه الموصلات بخصائص إلكترونية قابلة للضبط. للمغناطيس تكوينات دوران قابلة للضبط. في CrSBr ، يتم الجمع بين هذين المقبضين”. “هذا يجعل CrSBr جذابًا لكليهما البحوث الأساسية ولتطبيقات spintronics المحتملة. “

وأوضح تيلفورد أن المغناطيسية خاصية يصعب قياسها بشكل مباشر ، لا سيما مع تقلص حجم المادة ، لكن من السهل قياس كيفية تحرك الإلكترونات بمعامل يسمى المقاومة. في CrSBr ، يمكن أن تعمل المقاومة كبديل للحالات المغناطيسية التي لا يمكن ملاحظتها. قال روي “هذا قوي جدًا” ، خاصة وأن الباحثين يتطلعون يومًا ما إلى بناء رقائق من مغناطيس ثنائي الأبعاد يمكن استخدامه في الاحصاء الكمية ولتخزين كميات هائلة من البيانات في مساحة صغيرة.

قال تيلفورد إن الرابط بين الخصائص الإلكترونية والمغناطيسية للمادة كان بسبب عيوب في الطبقات – بالنسبة للفريق ، كان محظوظًا. وقال “الناس عادة يريدون أنظف مادة ممكنة. بلوراتنا بها عيوب ، لكن بدونها ، ما كنا لنلاحظ هذا الاقتران”.

من هنا ، يختبر مختبر روي طرقًا لتنمية بلورات فان دير فالز القابلة للنزع بعيوب متعمدة ، لتحسين القدرة على ضبط خصائص المادة بدقة. إنهم يستكشفون أيضًا ما إذا كانت مجموعات مختلفة من العناصر يمكن أن تعمل في درجات حرارة أعلى مع الاحتفاظ بهذه الخصائص المجمعة القيمة.