Villigen’deki Paul Scherrer Enstitüsü (PSI) ve ETH Zürih‘ten araştırmacılar; mıknatıslarda özel bir fenomen keşfettiler. Bu fenomen; nano ölçekte gerçekleşir ve mıknatısların alışılmadık konfigürasyonlarda toplanmasını sağlar. Bu, bilgisayar teknolojisi ve veri depolama için de faydalı olabilir.
Mıknatıslar, bir Kuzey Kutbu ve bir Güney Kutbu olmasıyla karakterize edilir. İki ortak mıknatıs birbirine yakın tutulursa, karşı kutuplar çeker ve benzer kutuplar birbirlerini iter. Bu yüzden pusulada bulunanlar gibi; manyetik iğnelerin kendilerini Dünya’nın manyetik alanıyla aynı hizaya getirdiklerinden, onlar; kuzey ve güneydeki kardinal yönleri (4 yön) belirlemek için kullanılabilir ve bu, Doğu ve Batı’dan türetilmiştir.
Her gün duyularımızla tecrübe ettiğimiz dünyada, bu kural doğrudur. Makroskobik dünyayı terk edersek ve çok daha küçük boyutların derinliklerine dalırsak, bu değişir.
Paul Scherrer Enstitüsü PSI ve ETH Zürih’teki araştırmacılar; manyetik katmanlardan yapılan nanoskopik yapılar düzeyinde sadece birkaç atom kalınlığında çok özel bir manyetik etkileşim keşfetti.
Atomlar; minik pusula iğneleri gibi hareket eder. Nanometre aralığındaki minik mesafeler üzerindeki etkilerini, örneğin bir milimetrenin birkaç milyonuncu kısmını ortaya çıkarıyor. Bu nedenle araştırmacılar nanomagnetleri araştırıyor.
PSI’deki araştırmacıların gözlemleyebildiği bu fenomen; iki fizikçinin Igor Dzyaloshinskii ve Toru Mariya’nın 60 yıldan daha önce tahmin ettiği bir etkileşime dayanıyor.
PSI ve ETH Zürih Fizikçi Zhaochu Luo: “Bu bizim başlangıç noktamızdı…”
Kuzey-Batı ve Güney-Doğu Atomlarının Birleşmesi
Bu etkileşimde, atomik pusula iğneleri sadece Kuzey-Güney yönünde değil, aynı zamanda Doğu-Batı yönünde de hizalanır. Araştırmacı Zhaochu Luo: “Bulundukları yer, çevrelerindeki atomların kendilerini nasıl yönlendirdiğine bağlı. Örneğin, bir atom grubu Kuzey’i gösteriyorsa, komşu grup her zaman Batı’yı işaret eder. Bir atom grubu Güney’i işaret ederse, komşu atomlar kendilerini Doğu’ya yönlendirir.”
Bir kobalt atom grubu Kuzey veya Güney’e (kırmızı) hizalarsa, komşu kobalt atomları Batı’ya veya Doğu’ya (mavi) hizalanır. Komşu atomların oryantasyonu düzlem içerisindedir. Bu etkileşim kobalt katmanının bir platin katman (altta, bej) ve bir alüminyum oksit katmanı (yukarıda gösterilmemiştir) arasında sandviçlenmesini gerektirir./Paul Scherrer Enstitüsü / Zhaochu Luo
Bu yönelimler manyetik alanlar veya elektrik akımları, yani kuzeyden güneye ve tersi yönde çevrilebilir. Komşu atom grupları daha sonra kendilerini Batı’dan Doğu’ya ya da tam tersi şekilde yeniden yönlendirir.
Araştırmacılar; bir tarafta bir platin tabaka ile diğer tarafta bir alüminyum oksit tabakası arasına sıkıştırılmış, sadece 1.6 nanometre kalınlığında bir kobalt atomu tabakası yardımıyla Kuzey-Batı ve Güney-Doğu oryantasyonunun birleşmesini keşfetti.
Araştırmacı Zhaochu Luo: “Sadece deneylerimiz için bu özel katmanların geliştirilmesi yaklaşık yarım yıl sürdü.”
Sıra dışı olan, bu etkileşimin bir düzlemde yanal olarak gerçekleşmesidir. Önceden, nano-manyetikler arasındaki karşılaştırılabilir kuplajlar,* sadece birbiri üzerinde düzenlenmiş atom grupları ile, dikey olarak algılanabildi.
PSI ve ETH Zürih araştırmacıları tarafından ortaklaşa gözlenen fenomen; düzlemsel manyetik ağların gelişmesini sağlar. Diğer şeylerin yanı sıra, sentetik antiferromanyetikler üretilebilir. Bu antiferromanyetiklerde; atom grupları düzenli aralıklarla Kuzey veya Güney’i işaret eder. Muhalif nanomanyetiklerin sayısı yaklaşık olarak aynıdır. Böylece birbirlerini toplamda nötralize ederler. Bu nedenle, ilk bakışta antiferromanyetikler, mıknatıslar gibi davranmaz. Örneğin, bir buzdolabı kapısına yapışmazlar. Batı’ya ya da Doğu’ya yönlendirilen komşu atomlar; her biri birkaç nanometre kadar küçük olan Kuzey ya da Güney’i işaret eden mıknatısları ayıran “aralayıcılar” olarak hareket eder. Bu, örneğin, mikroişlemcileri daha güçlü hale getiren yeni, daha verimli bilgisayar bellekleri ve anahtarlar oluşturmayı mümkün kılar.
Laura Heyderman, Zhaochu Luo ve Pietro Gambardella, nanomagnetlerde yeni fenomenleri keşfetti./ETH Zurich
Bilgisayarlar İçin Mantıksal Kapılar
Kuzey ya da Güneye bakan bireysel nanomantikler; mantık kapıları oluşturmak için uygundur. Mantık kapısı, bilgisayardaki yapı taşıdır ve bir tür anahtar işlevi görür. Sinyaller bu kapılara girer ve ardından bir çıkış sinyaline dönüştürülür. Bir bilgisayarda, bu kapıların çoğu işlemleri gerçekleştirmek için ağa bağlanır. Bu tür bir kapı, Kuzey ya da Güney’e hizalanmış nanomanyetiklerin yardımıyla da yapılabilir. Bunlar; günümüzde yaygın olarak kullanılan, tüm sinyalleri sıfır veya bir olarak yorumlayan transistör işleme sinyallerini ikili biçimde kullanan işlemcilere benzer. Kuzey ya da Güney yönelimli nanomıknatıslar da bunu yapabilir. Bu, mikroişlemcileri daha kompakt ve verimli hale getirebilir.
Prof. Laura Heyderman ile Prof. Pietro Gambardella’ya göre; bu çalışma, bağlantılı nano-manyetik dizileri tasarlamak ve planlı mantık geçitlerinin ve depolama cihazlarının tümüyle elektrikli kontrolünü sağlamak için bir platform sunuyor.
*Kuplaj: Bir elektriksel sinyali (ya da seviyeyi) başka bir noktaya bağlamak (ya da aktarmak) icin yapılan baglantı.
Comments