- นักฟิสิกส์ชาวเช็ก Libor Šmejkal ได้แรงบันดาลใจจากงานศิลปะและทำนายเชิงทฤษฎีถึง รูปแบบใหม่ของสภาวะแม่เหล็ก (altermagnetism)
- ก่อนหน้านี้เป็นที่รู้จักกันเพียงสภาวะแม่เหล็ก 2 แบบ คือ เฟอร์โรแมกเนติก (ferromagnetism) และ แอนติเฟอร์โรแมกเนติก (antiferromagnetism) แต่ปัจจุบันได้มีการยืนยันเชิงทดลองแล้วว่า อัลเทอร์แมกเน็ต คือรูปแบบแม่เหล็กแบบที่ 3
- อัลเทอร์แมกเน็ต มีสนามแม่เหล็กรวมเป็นศูนย์ แต่สามารถก่อให้เกิด การแยกสปินของอิเล็กตรอน (spin-splitting) ได้ จึงอาจช่วยก้าวข้ามข้อจำกัดของเทคโนโลยี สปินทรอนิกส์
- ปรากฏการณ์อัลเทอร์แมกเนติกได้รับการพิสูจน์เชิงทดลองแล้วใน manganese telluride (MnTe), ruthenium dioxide และวัสดุอื่น ๆ อีกทั้งยังมี วัสดุผู้สมัครมากกว่า 200 ชนิด ที่ถูกเสนอในทางทฤษฎี
- ทีมนักวิจัยยังได้ทำนายเชิงทฤษฎีถึง แอนติอัลเทอร์แมกเนติก (antialtermagnetic) ซึ่งเป็น รูปแบบแม่เหล็กแบบที่ 4 เพื่อขยายขอบเขตของโลกแห่งแม่เหล็กให้กว้างขึ้น
ประวัติและพัฒนาการของ Magnetism
- มนุษย์รู้จักแม่เหล็กมาตั้งแต่สมัยกรีกโบราณ และปัจจุบันมันถูกใช้ในเทคโนโลยีสำคัญอย่างเครื่องกำเนิดไฟฟ้า สมาร์ตโฟน และเครื่องสแกนในโรงพยาบาล
- แนวคิดแม่เหล็กแบบดั้งเดิมมีอยู่ 2 แบบ คือ เฟอร์โรแมกเนติก (โครงสร้างที่ทิศของสปินทั้งหมดเหมือนกันจนเกิดแรงแม่เหล็ก) และ แอนติเฟอร์โรแมกเนติก (โครงสร้างที่ทิศสปินหักล้างกันจนไม่แสดงแรงแม่เหล็กภายนอก)
- ในปี 2022 Šmejkal ได้สร้างแบบจำลองเชิงทฤษฎีของสภาวะ ‘อัลเทอร์แมกเนติก’ จากปรากฏการณ์ที่อธิบายไม่ได้ด้วยโมเดลเดิม
ไอเดียของ Šmejkal และสมมาตรของ Escher
- เขาตีความสมมาตรของแม่เหล็กใหม่ โดยได้แรงบันดาลใจจากลวดลายสมมาตรแบบซ้ำในผลงาน Horseman ของ M.C. Escher
- คล้ายกับแอนติเฟอร์โรแมกเนติกทั่วไป สปินจะสลับทิศทางกันไปมา แต่จะเกิดโมเมนต์แม่เหล็กที่ หมุนไป 90 องศา และ ส่งผลให้เกิดปรากฏการณ์การแยกสปิน
- ด้วยเหตุนี้ แม้ในโครงสร้างที่ตามปกติถือว่าเป็นไปไม่ได้ ก็ยังสามารถ แยกสปินของอิเล็กตรอนสองทิศทาง ได้
การพิสูจน์เชิงทดลองของอัลเทอร์แมกเน็ต
- ในปี 2024 ทีมของ Juraj Krempaský จากสถาบัน PSI ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ ได้สังเกตปรากฏการณ์อัลเทอร์แมกเน็ตใน manganese telluride (MnTe)
- ผลการติดตามการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนแสดงความสอดคล้องสูงกับทฤษฎีของ Šmejkal
- หลังจากนั้นยังมีการยืนยันความเป็นไปได้ของอัลเทอร์แมกเน็ตใน ruthenium dioxide และวัสดุอื่น ๆ
สปินทรอนิกส์และศักยภาพของอัลเทอร์แมกเน็ต
- สปินทรอนิกส์ (spintronics) คือเทคโนโลยีรุ่นถัดไปที่ใช้สปินของอิเล็กตรอนในการจัดเก็บและประมวลผลข้อมูล
- ก่อนหน้านี้มีเพียงเฟอร์โรแมกเนติกเท่านั้นที่ให้การแยกสปินได้ จึงมี ข้อจำกัดด้านการย่อขนาดและการรวมวงจร
- อัลเทอร์แมกเน็ตมี แรงแม่เหล็กเป็นศูนย์แต่แยกสปินได้, ไม่มีการรบกวน, ใช้พลังงานต่ำ และมีศักยภาพด้าน การย่อขนาด จึงมีคุณสมบัติที่ใกล้เคียงอุดมคติ
การพัฒนาวัสดุใหม่และความเป็นไปได้เชิงพาณิชย์
- สามารถเหนี่ยวนำสภาวะอัลเทอร์แมกเน็ตได้ด้วยการใส่ ความเค้นอัด (compressive strain) ให้กับแอนติเฟอร์โรแมกเนติกเดิม หรือรบกวนสมมาตรด้วย การซ้อนชั้นวัสดุต่างชนิด (sandwich structure)
- ตัวอย่างเช่น rhenium dioxide ที่ถูกอัดแรง และ แอนติเฟอร์โรแมกเนติกแบบซ้อนชั้น ที่สร้างเป็นโครงสร้างหลายชั้น
- อย่างไรก็ตาม วิธีการแบบประดิษฐ์อาจขาดความเหมาะสมในการใช้งานจริง ดังนั้นการ ค้นหาวัสดุในธรรมชาติที่มีคุณสมบัติอัลเทอร์แมกเนติก จึงดูมีแนวโน้มมากกว่า
- ทีมของ Šmejkal ได้อนุมานเชิงทฤษฎีถึง วัสดุผู้สมัครมากกว่า 200 ชนิด
ขั้นตอนถัดไปเพื่อการใช้งานเชิงพาณิชย์
- ทีมวิจัยของ Oliver Amin ได้สาธิตว่าสามารถ ควบคุมโครงสร้างแม่เหล็กของ MnTe ผ่านการให้ความร้อนและการทำให้เย็นลง ได้
- สิ่งนี้ถูกมองว่าเป็นก้าวแรกของการสร้าง วัสดุที่ใช้งานได้จริง สำหรับสปินทรอนิกส์
- MnTe เป็นวัสดุที่ถูกศึกษามานานกว่า 20 ปีอยู่แล้ว จึง เอื้อต่อการสังเคราะห์ความบริสุทธิ์สูงและการทดลอง
รูปแบบแม่เหล็กแบบที่ 4: แอนติอัลเทอร์แมกเนติก (Antialtermagnetism)
- Šmejkal ได้พัฒนาต่อยอดจากอัลเทอร์แมกเน็ตไปสู่ แอนติอัลเทอร์แมกเน็ต ซึ่งมี โครงสร้างสมมาตรของสปินแบบซิกแซก
- แม้อิเล็กตรอนสปินจะเรียงตัวอย่างสมมาตรจนไม่มีแรงแม่เหล็กรวม แต่ก็สามารถ เปลี่ยนเส้นทางการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน และก่อให้เกิดการแยกสปินได้
- แม้งานวิจัยนี้ยังอยู่ในขั้น ก่อนการประเมินโดยผู้ทรงคุณวุฒิ แต่ก็ชี้ให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของปรากฏการณ์แม่เหล็กแบบใหม่
บทสรุป
- การค้นพบอัลเทอร์แมกเน็ตคือจุดเปลี่ยนสำคัญที่ช่วย ขยายแนวคิดเรื่องแม่เหล็ก และอาจ เร่งการใช้งานสปินทรอนิกส์ในทางปฏิบัติ
- ในอีก 10 ปีข้างหน้า มีความเป็นไปได้สูงว่าจะต่อยอดไปสู่วัสดุใหม่ที่ พร้อมใช้งานเชิงพาณิชย์ และการวิจัยก็กำลังดำเนินไปอย่างคึกคัก
- งานวิจัยที่เริ่มต้นจากสมมาตรของ Escher นี้ กำลังได้รับความสนใจในฐานะ ตัวอย่างเด่นของการบรรจบกันระหว่างศิลปะ คณิตศาสตร์ และฟิสิกส์
1 ความคิดเห็น
ความคิดเห็นจาก Hacker News
ลิงก์ archive.ph
เท่าที่ฉันเข้าใจ ข้อได้เปรียบที่แท้จริงของเทคโนโลยีนี้คืออุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลแบบแม่เหล็กชนิด solid-state
อุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลแบบแม่เหล็กที่มีอยู่เดิมสร้างสนามแม่เหล็กขึ้นมา แต่วัสดุ altermagnet แบบใหม่นี้ตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กภายนอกได้โดยไม่สร้างสนามแม่เหล็กขึ้นเอง
ดังนั้นจึงสามารถจัดวางอุปกรณ์ให้หนาแน่นมากได้ โดยไม่ต้องกังวลเรื่องการรบกวนกัน
โครงสร้างคือใช้พัลส์ไฟฟ้าอ่อนเพื่ออ่านค่า 0 และ 1 ของบิต และใช้พัลส์ที่แรงกว่าเพื่อพลิกบิต
เพราะเป็นการพลิกตัวอะตอมเอง จึงไม่ทำลายโครงสร้างหรืออัดประจุเข้าไป ทำให้น่าจะมีอายุการใช้งานยาวนาน และรอบการอ่าน/เขียนก็น่าจะเกือบไม่จำกัด
มีการมองว่าน่าจะเข้ากันได้กับกระบวนการผลิตซิลิคอนทั่วไป
แต่ประเด็นทางเทคนิคสำคัญคือจะวางโครงสร้างสำหรับการอ่านให้ถี่แค่ไหนได้
คำอธิบายที่ว่าใช้พัลส์ไฟฟ้าอ่อนเพื่อตรวจจับสถานะของบิต และใช้พัลส์ที่แรงกว่าเพื่อพลิกมัน เป็นการสรุปแก่นสำคัญได้ยอดเยี่ยมจริง ๆ
น่าประทับใจที่สรุปได้สมบูรณ์ในประโยคเดียวแบบมีอินไซต์สไตล์ Feynman
ถ้ามีอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลแบบนี้ ฉันคิดว่าไม่ใช่แค่หน่วยความจำ solid-state เท่านั้น แต่เซ็นเซอร์อุตสาหกรรมที่อาศัย Hall effect โดยรวมก็น่าจะได้ทั้งความละเอียดและความทนทานต่อสัญญาณรบกวนเพิ่มขึ้นอย่างมาก
อันที่จริง วัสดุแม่เหล็ก "ทั่วไป" แบบเดิมก็สามารถสลับทิศทางของสนามแม่เหล็กได้เช่นกัน ซึ่งดูได้จากบทความนี้
ในบทความ ส่วน "Confirming that altermagnets exist" อธิบายการใช้งานจริงได้ดี
โดยปกติแล้ว การเก็บข้อมูลความหนาแน่นสูงที่อาศัยสปินมักใช้เฉพาะวัสดุที่สปินเรียงตัวกันเองตามธรรมชาติเท่านั้น (โดยมากคือสารเฟอร์โรแมกเนติก)
ปัญหาคือสารเฟอร์โรแมกเนติกมาพร้อมสนามแม่เหล็กขนาดใหญ่ ซึ่งเป็นอุปสรรคสำคัญต่อการใช้งานจริง
altermagnet แบบใหม่มีการจัดเรียงสปินที่ดี ขณะเดียวกันในระดับอะตอมแต่ละอะตอม