מחקר חדש מגלה שפולסי לייזר יכולים לשנות את התכונות המגנטיות של חומרי אדמה נדירים על ידי השפעה על אלקטרונים 4f שלהם. יכולת זו, שהודגמה בניסויים עם טרביום במתקני רנטגן מרכזיים, יכולה להוביל לפתרונות אחסון נתונים מהירים ויעילים יותר. קרדיט: twoday.co.il.com
פולסי לייזר הוכחו כמכוונים את התכונות המגנטיות של כדורי אדמה נדירים על ידי השפעה על אלקטרונים 4f, פותחים דרכים להתקני אחסון נתונים מהירים וחסכוניים יותר באנרגיה.
התכונות המיוחדות של חומרים מגנטיים של אדמה נדירה נובעות מהאלקטרונים במעטפת 4f. עד כה, התכונות המגנטיות של אלקטרונים 4f נחשבו כמעט בלתי אפשריות לשליטה. כעת, מדענים הראו לראשונה שפולסי לייזר יכולים להשפיע על אלקטרונים 4f – ובכך לשנות את התכונות המגנטיות שלהם. התגלית, שנעשתה באמצעות ניסויים ב-EuXFEL ו-FLASH, פותחת דרך חדשה לאחסון נתונים עם יסודות אדמה נדירים.
פריצת דרך בבקרת מאפיינים מגנטיים
המגנטים החזקים ביותר שאנו מכירים מבוססים על כדורי אדמה נדירים. שֶׁלָהֶם 4ו אלקטרונים אחראים לתכונות המגנטיות שלהם: הם יוצרים מומנט מגנטי גדול שנשמר גם כאשר הסביבה הכימית שלהם משתנה. משמעות הדבר היא שניתן להשתמש בכדורי אדמה נדירים בתרכובות וסגסוגות שונות מאוד מבלי לשנות את התכונות המגנטיות המיוחדות שלהם.
עד כה, ההנחה הייתה כי התכונות המגנטיות של 4ו לא ניתן היה לשנות אלקטרונים גם אם החומר היה נרגש בפולס לייזר. אבל אכן, זה אפשרי, כצוות ממרכז הלמהולץ לחומרים ואנרגיה (HZB), Freie Universität Berlin, DESYXFEL לייזר רנטגן האירופי ומוסדות אחרים הראו כעת כי הסידור המרחבי של ה 4ו ניתן להחליף אלקטרונים לזמן קצר על ידי עירור לייזר. זה גם משנה את המגנטיות שלהם.
אפקט זה פותח אפשרויות חדשות לבקרה מהירה וחסכונית באנרגיה של חומרי אדמה נדירים מגנטיים. העבודה תפורסם היום (5 באוגוסט) בכתב העת התקדמות המדע.
התמונה מציגה את אורביטלי הטרביום שביניהם מתבצעת העירור ושרטוט סכמטי של תהליך העירור. קרדיט: HZB
תובנות ניסיוניות מלייזרי רנטגן
הצוות ביצע ניסויים בלייזרי הרנטגן EuXFEL ו-FLASH וניתח דגימות של טרביום, יסוד אדמה נדיר עם מספר אטומי 65 ובסך הכל 8 אלקטרונים ב 4ו אורביטלים. הדגימה נרגשה בדופק לייזר קצר במיוחד ונותחה באמצעות ספקטרוסקופיה של קרני רנטגן. קרינת הרנטגן הרכה המשמשת במחקר מסוגלת לקבוע את המבנה האלקטרוני של חומר ברגישות רבה.
הניסוי מראה שאחרי עירור בלייזר, 4ו אלקטרונים עוברים לזמן קצר למסלול עם התפלגות מרחבית שונה. זה נובע מתהליך פיזור עם 5ד אלקטרונים, שלא נחשבו קודם לכן. החלוקה מחדש של ה-4ו אלקטרונים על ידי עירור הלייזר גורם למתג קצר בתכונות המגנטיות שלהם.
פוטנציאל בטכנולוגיות אחסון נתונים
מיתוג מבוקר זה פותח יישומים חדשים לחומרי אדמה נדירים, כגון התקני אחסון מידע חסכוניים באנרגיה ומהירים. עד כה, כדורי אדמה נדירים לא שימשו באמצעי אחסון מגנטיים.
אמצעי האחסון העדכניים ביותר הם מה שנקרא HAMR (Heat-Assisted Magnetic Recording) התקני אחסון נתונים, שבהם מבנים מגנטיים מחוממים על ידי דופק לייזר על מנת לעבור אותם על ידי מגנט. עם מגנטי אדמה נדירים הרבה יותר חזקים, דופק לייזר קצר במיוחד יכול כעת לרגש את 4ו אלקטרונים ולאפשר מיתוג – אפקט אלקטרוני שיהיה מהיר ויעיל אפילו יותר ממנגנון החימום בזיכרון HAMR.
התקדמות בספקטרוסקופיה של רנטגן
מחקר זה התאפשר הודות לפיתוח של מקורות רנטגן מבוססי מאיץ להפקת פולסי רנטגן קצרים במיוחד בעשורים האחרונים. מקורות רנטגן אלו מאפשרים לצפות בתהליכים יסודיים בחומרים מגנטיים בסקאלות זמן של מספר פמטשניות. פמט שנייה (10-15 s) הוא מיליונית מיליארדית השנייה. האור עובר ברוחב שערה ב-300 פמט שניות.
העבודה בוצעה בלייזר הרנטגן האירופי EuXFEL וב-FLASH בהמבורג. ה-HZB מפעיל גם מקור רנטגן דופק קצר, שיורחב עד סוף השנה הזו במיוחד עבור ניסויים ברזולוציה ספקטרוסקופית גבוהה. BESSY II אז יציע גם תנאים אופטימליים לניסוי מסוג זה. ברלין הוא אחד המרכזים המובילים בעולם למחקר על אפקטים מגנטיים אולטרה-מהירים.
העבודה ב- Freie Universität, Technische Universität, HZB, Fritz-Haber-Institut ו- Max-Born-Institut יחד עם שותפים בהאלה ממומנת על ידי קרן המחקר הגרמנית כחלק ממרכז מחקר שיתופי חוצה אזורי (Transregio-SFB 227 "Ultrafast Spin דִינָמִיקָה").
