Ένα υλικό που είχε παραβλεφθεί για πολύ καιρό αποκάλυψε ένα κρυφό ατομικό πρότυπο, το οποίο αμφισβητεί τις συμβατικές προσδοκίες σχετικά με τον μαγνητισμό.
Η ανακάλυψη των επιστημόνων
Διαπιστώθηκε ότι μια ένωση ουρανίου —η οποία δεν είχε τύχει ιδιαίτερης επιστημονικής προσοχής επί δεκαετίες— περιέχει μια άγνωστη έως τώρα ατομική δομή με ασυνήθιστες μαγνητικές ιδιότητες. Η ανακάλυψη αυτή θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές στον εντοπισμό υλικών ικανών να υποστηρίξουν ταχύτερη και πιο ανθεκτική μνήμη υπολογιστών.
Επιστήμονες ανακάλυψαν μια επαναλαμβανόμενη, ελικοειδή διάταξη ατόμων —γνωστή ως χειρόμορφο υπερπλέγμα (chiral superlattice)— στο οξυτελλουρίδιο του ουρανίου (UOTe). Η δομή αυτή φαίνεται να διαδραματίζει κεντρικό ρόλο στον τρόπο με τον οποίο τα ηλεκτρόνια κινούνται εντός του κρυστάλλου, ο οποίος παρουσιάζει έναν ασυνήθιστο συνδυασμό δύο διαφορετικών τύπων μαγνητισμού. Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν διαδικτυακά στις 7 Οκτωβρίου στο περιοδικό Nature.
Ένα κρυφό ατομικό πρότυπο αποκαλύπτεται μέσω της μικροσκοπίας
Η Δρ. Mengke Liu, επίκουρη καθηγήτρια Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ντάλας (UT Dallas), ανακάλυψε τη δομή αυτή εξετάζοντας κρυστάλλους που συντέθηκαν από τον Δρ. Sheng Ran, αναπληρωτή καθηγητή Φυσικής στο Πανεπιστήμιο Ουάσιγκτον στο Σεντ Λούις. Η Liu ξεκίνησε τη μελέτη του υλικού κατά τη διάρκεια της θητείας της ως μεταδιδακτορική ερευνήτρια στην πρωτοβουλία «Harvard Quantum Initiative», προτού ενταχθεί στο δυναμικό του UT Dallas το 2025. Χρησιμοποιώντας ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης (transmission electron microscopy) και μικροσκοπία σάρωσης σήραγγας (scanning tunneling microscopy), εξέτασε τον κρύσταλλο σε ατομική ανάλυση.
«Αρχικά μελετούσα αυτό το υλικό για έναν εντελώς διαφορετικό λόγο», δήλωσε η Liu. «Όταν το εξέτασα με μικροσκοπία υψηλής ανάλυσης, εντόπισα μια φυσικά σχηματιζόμενη υπερδομή, την οποία κανείς δεν είχε αναγνωρίσει στο παρελθόν».
Το υπερπλέγμα που εντοπίστηκε πρόσφατα αποτελείται από μια μεγαλύτερη, επαναλαμβανόμενη ατομική διάταξη με μια χαρακτηριστική στροφή —είτε προς τα αριστερά είτε προς τα δεξιά—, μια ιδιότητα γνωστή ως χειρομορφία (chirality). Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αυτή η οργάνωση επηρεάζει τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων και συνδέεται με τα ασυνήθιστα μαγνητικά χαρακτηριστικά του υλικού.
Δύο μορφές μαγνητισμού σε ένα υλικό
Ο κρύσταλλος παρουσιάζει χαρακτηριστικά τόσο σιδηρομαγνητισμού όσο και αντισιδηρομαγνητισμού. Στα σιδηρομαγνητικά υλικά, οι ατομικές μαγνητικές ροπές ευθυγραμμίζονται, δημιουργώντας μια συνολική μαγνίτιση. Στα αντισιδηρομαγνητικά υλικά, οι γειτονικές μαγνητικές ροπές έχουν αντίθετες κατευθύνσεις, με αποτέλεσμα συνήθως να αλληλοεξουδετερώνονται και το υλικό να μην παρουσιάζει καθαρή μαγνίτιση.
«Το να εντοπίζεται ένα υλικό που συνδυάζει και τις δύο αυτές ιδιότητες παρουσιάζει θεμελιώδες ενδιαφέρον», ανέ Μια ερευνητική ομάδα στο Πανεπιστήμιο Χάρβαρντ, υπό την καθοδήγηση του Δρ. Suyang Xu —αναπληρωτή καθηγητή Φυσικών Επιστημών (κάτοχος της έδρας John L. Loeb) και ενός εκ των υπεύθυνων συγγραφέων της μελέτης— εξέταζε ανεξάρτητα την ίδια χημική ένωση. Οι ερευνητικές ομάδες συνέκριναν τα αποτελέσματα συμπληρωματικών πειραμάτων και πραγματοποίησαν επιπλέον μετρήσεις, επιβεβαιώνοντας ότι η ασυνήθιστη ατομική υπερδομή αποτελεί καθοριστικό παράγοντα για τον τρόπο με τον οποίο τα ηλεκτρόνια κινούνται μέσα στο υλικό.
Προοπτικές για Ταχύτερη και Πιο Αξιόπιστη Μνήμη
Τα αντισιδηρομαγνητικά υλικά παρουσιάζουν δυνητικά πλεονεκτήματα για τη μνήμη υπολογιστών, καθώς είναι γενικά λιγότερο ευαίσθητα σε εξωτερικά μαγνητικά πεδία και επιτρέπουν ταχύτερη λειτουργία σε σύγκριση με τα συμβατικά σιδηρομαγνητικά υλικά. Ένα υλικό που συνδυάζει χαρακτηριστικά και των δύο κατηγοριών θα μπορούσε να ανοίξει νέους δρόμους για τις τεχνολογίες μαγνητικής μνήμης, αν και δεν έχουν ακόμη παρουσιαστεί πρακτικές συσκευές βασισμένες σε αυτή την ανακάλυψη.
«Εάν μπορέσουμε να αξιοποιήσουμε αυτά τα πλεονεκτήματα, οι συσκευές μνήμης θα μπορούσαν ενδεχομένως να γίνουν τόσο ταχύτερες όσο και πιο ανθεκτικές», δήλωσε ο Liu.
Οι υπολογιστικές αναλύσεις υποδεικνύουν επίσης ότι εκατοντάδες συναφείς χημικές ενώσεις ενδέχεται να διαθέτουν παρόμοιες δομές υπερπλέγματος. Αυτό διευρύνει το φάσμα των υλικών που μπορούν να εξετάσουν οι ερευνητές, αναζητώντας ανάλογη ηλεκτρονική και μαγνητική συμπεριφορά.
«Η μελέτη αυτή προσφέρει έναν νέο τρόπο αναζήτησης υλικών με αυτές τις ασυνήθιστες ιδιότητες», ανέφερε ο Liu. «Αντί να εστιάζουμε αποκλειστικά στη θεμελιώδη ατομική διάταξη, μπορούμε πλέον να διερευνήσουμε και μεγαλύτερες υπερδομές, οι οποίες ενδέχεται να επηρεάζουν τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων».
Ένα Υλικό Γνωστό από τη Δεκαετία του 1960 Ανοίγει Νέες Προοπτικές
Το οξυτελλουρίδιο του ουρανίου ήταν γνωστό στους επιστήμονες δεκαετίες πριν από την ανακάλυψη της ασυνήθιστης υπερδομής του. Σήμερα, χάρη στις σύγχρονες τεχνικές μικροσκοπίας, κατέστη δυνατή η εξέταση δομικών χαρακτηριστικών που ήταν αδύνατο να εντοπιστούν σε παλαιότερες έρευνες.
«Το οξυτελλουρίδιο του ουρανίου είναι γνωστό από τη δεκαετία του 1960, ωστόσο έκτοτε είχε παραμεληθεί σε μεγάλο βαθμό από την ερευνητική κοινότητα. Τώρα, με τις σύγχρονες τεχνικές, είμαστε σε θέση να αποκαλύψουμε και να μελετήσουμε ιδιότητες που προηγουμένως παρέμεναν κρυφές», δήλωσε ο Liu.
www.worldenergynews.gr
