Ο μαγνητισμός σε κίνηση

Από την ιστοσελίδα PhysicsWeb, Δεκέμβριος 2003

Οι φυσικοί έχουν παρατηρήσει για πρώτη φορά κινήσεις σε υποατομική κλίμακα εντός ενός κρυστάλλου, καθώς είδαν τα τοιχώματα των μαγνητικών περιοχών να μετακινούνται κατά μισό angstrom (0,5 · 10^-10 m). Με το πείραμα αυτό είχαμε βελτίωση κατά 100 φορές στην διακριτική ικανότητα σε σχέση με προηγούμενα πειράματα. 

Πολλά φαινόμενα στη φυσική συμπυκνωμένης κατάστασης εξηγούνται με όρους του ατομικού σκαφοειδούς δυναμικού το οποίο προτάθηκε από τον Rudolph Peierls το 1940. Το δυναμικό αυτό περιέχει μια σειρά από  όρη και κοιλάδες στις τρεις διαστάσεις, που οι κορυφές των ορέων συμπίπτουν με τις θέσεις των ατομικών επιπέδων στον κρύσταλλο. Παρόλα αυτά το δυναμικό Peierls δεν είχε ποτέ παρατηρηθεί απευθείας μέχρι τα τελευταία πειράματα που πραγματοποίησε ο Andre Geim και οι συνεργάτες του στο Κέντρο για την επιστήμη σε μεσαία κλίμακα και τη νανοτεχνολογία στο πανεπιστήμιο του Manchester και στο Ινστιτούτο για την μικροηλεκτρονική τεχνολογία  στο Chernogolokva της Ρωσίας. 

Η ομάδα μελέτησε τη μετακίνηση των τοιχωμάτων τα οποία χωρίζουν τις περιοχές με διαφορετικούς μαγνητικούς προσανατολισμούς (π.χ. Βόρειο και Νότιο) σε λεπτά φιλμς κρυσταλλικών υλικών από ύττριο και σίδηρο. Τα τοιχώματα αυτών των περιοχών συνήθως έχουν πάχος πολλών ατομικών στρωμάτων σε θερμοκρασία δωματίου. Παρόλα αυτά σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες όπως αυτές που χρησιμοποιήθηκαν στα τελευταία πειράματα, τα τοιχώματα αυτά είχαν πάχος μόλις 11 νανόμετρα, δηλαδή μόλις 6 φορές μεγαλύτερα από τη μέγιστη απόσταση μεταξύ των κρυσταλλικών επιπέδων στον κρύσταλλο υττρίου-σιδήρου.  

Ο Geim και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν αισθητήρες του φαινομένου Hall που αποτελούνταν από δισδιάστατο ηλεκτρονικό αέριο για να παρακολουθήσουν τις μετακινήσεις των τοιχωμάτων των μαγνητικών περιοχών. Οι συσκευές αυτές είναι εξαιρετικά ευαίσθητες στις μικρές μεταβολές της μαγνητικής ροής, όπως αυτές που προκαλούνται από τις μικρές μετακινήσεις των τοιχωμάτων των μαγνητικών περιοχών, και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μετρήσουμε τις μεταβολές στη θέση ενός τοιχώματος. Οι ερευνητές βρήκαν ότι τα τοιχώματα μπορούν να παγιδευτούν μεταξύ των κρυσταλλικών επιπέδων και ότι μπορούν να μετακινηθούν μέσα στον κρύσταλλο με μια σειρά από διακριτά άλματα. Το μέγεθος του μικρότερου άλματος είναι ίσο με την περιοδικότητα στο χώρο που εμφανίζει η μαγνήτιση του κρυστάλλου κατά τη διεύθυνση της μετακίνησης (περίπου 1,75 νανόμετρα.). 

Πέραν τούτου, οι θεωρητικοί έχουν προβλέψει ότι το τοίχωμα μιας περιοχής μπορεί επίσης να μετακινηθεί καθώς παγιδεύεται σε μια κοιλάδα του δυναμικού Peierls. Μετρώντας τη μαγνητική επιδεκτικότητα του συστήματος στο εναλλασσόμενο ρεύμα, η Βρετανο-Ρωσσική ομάδα βρήκε πράγματι μια τέτοιου είδους μετακίνηση κατά 0,5 angstroms, αν και οι λεπτομέρειες αυτής της κίνησης δεν είναι πλήρως κατανοητές. Η ομάδα έχει επίσης ανιχνεύσει "κόμπους" ατομικών διαστάσεων επί των τοιχωμάτων των μαγνητικών περιοχών. 

"Το δυναμικό Peierls είναι ένα φαινόμενο που περιγράφεται στα φοιτητικά βιβλία αλλά είχε διαφύγει της απευθείας πειραματικής ανίχνευσής του, εδώ και πολλές δεκαετίες," λέει ο Geim. "Πριν λίγα χρόνια, κανείς, ούτε και εγώ ο ίδιος θα πιστεύαμε ότι μια απευθείας παρατήρηση είναι δυνατή" λέει ο ίδιος. Μαζί με το άνοιγμα νέων λεωφόρων στη θεμελιώδη έρευνα της φυσικής της συμπυκνωμένης κατάστασης, τα νέα αποτελέσματα θα μπορούσαν να οδηγήσουν στην ανάπτυξη νέων μαγνητικών υλικών. 

 Αναφορά: (K S Novoselov και άλλοι  2003 Nature 426 812)