פיזיקאים גילו כיצד לשלוט בתכונות המבניות של מגנטיט באמצעות מעברי פאזה המושרים על ידי אור, חושפים שלבים נסתרים ומציעים שיטה חדשה למניפולציה של חומרים בטווחי זמן מהירים במיוחד. הממצאים שלהם מצביעים על השפעות אפשריות על עתיד האלקטרוניקה, שכן הם מדגימים כיצד אורכי גל אור ספציפיים יכולים לשנות באופן סלקטיבי את המצבים האלקטרוניים של מגנטיט. קרדיט: twoday.co.il.com
חוקרים הצליחו לתמרן את התכונות המבניות של מגנטיט באמצעות מעברי פאזה המושרים על ידי אור.
טכניקה זו חשפה שלבים נסתרים של מגנטיט, וסללה את הדרך לגישות חדשות למניפולציה של חומרים באלקטרוניקה.
פריצת דרך בחקר המעבר בשלבי מגנטיט
"לפני זמן מה, הראינו שאפשר לגרום למעבר פאזה הפוך במגנטיט", אומר הפיזיקאי Fabrizio Carbone ב-EPFL. "זה כאילו שלקחת מים ואתה יכול להפוך אותם לקרח על ידי הכנסת אנרגיה לתוכם בלייזר. זה מנוגד לאינטואיציה מכיוון שבדרך כלל כדי להקפיא מים אתה מקרר אותם, כלומר מוציא מהם אנרגיה."
כעת, Carbone הובילה פרויקט מחקר כדי להבהיר ולשלוט בתכונות המבניות המיקרוסקופיות של מגנטיט במהלך מעברי פאזה המושרים על ידי אור. המחקר גילה ששימוש באורכי גל ספציפיים של אור לעירור פוטו, המערכת יכולה להניע מגנטיט למצבים מטא-יציבים שאינם בשיווי משקל ("metstable" פירושו שהמצב יכול להשתנות בתנאים מסוימים) הנקראים "שלבים נסתרים", ובכך לחשוף פרוטוקול חדש לתמרן חומר מאפיינים בטווחי זמן מהירים במיוחד. הממצאים, שעשויים להשפיע על עתיד האלקטרוניקה, מתפרסמים ב PNAS.
חקר מצבים שאינם שיווי משקל במגנטיט
מהם "מצבים שאינם שיווי משקל?" "מצב שיווי משקל" הוא בעצם מצב יציב שבו תכונות החומר אינן משתנות עם הזמן מכיוון שהכוחות בתוכו מאוזנים. כשזה מופרע, אומרים שהחומר ("המערכת", אם לדייק במונחים של פיזיקה) נכנס למצב לא שיווי משקל, ומציג תכונות שיכולות לגבול באקזוטי ובבלתי צפוי.
"השלבים הנסתרים" של מגנטיט
מעבר פאזה הוא שינוי במצב של חומר, עקב שינויים בטמפרטורה, לחץ או תנאים חיצוניים אחרים. דוגמה יומיומית היא מים שעוברים מקרח מוצק לנוזל או מנוזל לגז כשהם רותחים.
מעברי שלב בחומרים בדרך כלל עוקבים אחר מסלולים צפויים בתנאי שיווי משקל. אבל כאשר חומרים נדחפים משיווי משקל, הם יכולים להתחיל להראות מה שנקרא "שלבים נסתרים" – מצבי ביניים שאינם נגישים בדרך כלל. התבוננות בשלבים נסתרים מצריכה טכניקות מתקדמות שיכולות ללכוד שינויים מהירים וזעירים במבנה החומר.
מגנטיט (Fe3O4) הוא חומר נחקר היטב הידוע במעבר המסקרן שלו בין מתכת למבודד בטמפרטורות נמוכות – מהיכולת להוליך חשמל לחסימה אקטיבית שלו. זה ידוע כמעבר Verwey, והוא משנה את התכונות האלקטרוניות והמבניות של מגנטיט באופן משמעותי.
עם המשחק המורכב שלו של מבנה גבישי, מטען וסדרי מסלול, מגנטיט יכול לעבור את המעבר הזה של מבודד מתכת בסביבות 125 K.
לייזרים מהירים במיוחד גורמים למעברים נסתרים במגנטיט
"כדי להבין את התופעה הזו טוב יותר, עשינו את הניסוי הזה שבו הסתכלנו ישירות על התנועות האטומיות המתרחשות במהלך טרנספורמציה כזו", אומר קרבון. "גילינו שעירור בלייזר לוקח את המוצק לכמה שלבים שונים שאינם קיימים בתנאי שיווי משקל."
הניסויים השתמשו בשני אורכי גל שונים של אור: קרוב לאינפרא אדום (800 ננומטר) ונראה (400 ננומטר). כאשר הוא נרגש בפולסי אור של 800 ננומטר, מבנה המגנטיט נשבש, ויצר תערובת של אזורים מתכתיים ומבודדים. לעומת זאת, פעימות אור של 400 ננומטר הפכו את המגנטיט למבודד יציב יותר.
כדי לנטר את השינויים המבניים במגנטיט המושרה על ידי פעימות לייזר, החוקרים השתמשו בדיפרקציה מהירה של אלקטרונים, טכניקה שיכולה "לראות" את תנועות האטומים בחומרים בטווחי זמן של תת פיקושניות (פיקוס שנייה היא טריליון שניה).
הטכניקה אפשרה למדענים לראות כיצד אורכי הגל השונים של אור הלייזר משפיעים למעשה על מבנה המגנטיט בקנה מידה אטומי.
מבנה הגביש של מגנטיט הוא מה שמכונה "סריג מונוקליני", שבו תא היחידה בצורת קופסה מוטה, עם שלושה קצוות לא שווים, ושתיים מהזוויות שלו הן 90 מעלות ואילו השלישית שונה.
כאשר האור של 800 ננומטר האיר על המגנטיט, הוא גרם לדחיסה מהירה של הסריג המונוקליני של המגנטיט, והפך אותו למבנה קובי. זה מתרחש בשלושה שלבים לאורך 50 פיקושניות, ומצביע על כך שיש אינטראקציות דינמיות מורכבות המתרחשות בתוך החומר. לעומת זאת, האור הנראה של 400 ננומטר גרם להתרחבות הסריג, לחזק את הסריג המונוקליני וליצור שלב מסודר יותר – מבודד יציב.
השלכות יסוד ויישומים טכנולוגיים
המחקר מגלה שניתן לשלוט בתכונות האלקטרוניות של מגנטיט על ידי שימוש סלקטיבי באורכי גל אור שונים. הבנת מעברים אלה המושרים על ידי אור מספקת תובנות חשובות לגבי הפיזיקה הבסיסית של מערכות מתואמות חזקות.
"המחקר שלנו פורץ דרך לגישה חדשה לשליטה בחומר בטווח זמן מהיר במיוחד באמצעות התאמה אישית פוטון דופקים", כותבים החוקרים. ליכולת לעורר ולשלוט בשלבים נסתרים במגנטיט עשויות להיות השלכות משמעותיות על פיתוח חומרים ומכשירים מתקדמים. לדוגמה, חומרים שיכולים לעבור בין מצבים אלקטרוניים שונים במהירות וביעילות יכולים לשמש בדור הבא של התקני מחשוב וזיכרון.
