تجسم مغناطیس در سه بعدی – اخبار علوم پیشرفته

الکترونیک معمولی از حرکت بار الکتریکی برای انتقال اطلاعات استفاده می کند. اسپینترونیک از خاصیت دیگر الکترون ها – اسپین آنها – برای انجام همین کار استفاده می کند.

Xiuzhen Yu، مدیر تیم تحقیقاتی میکروسکوپ ایالت الکترونی در مرکز RIKEN برای علوم مواد اضطراری در ژاپن، روش‌های غیرعادی را بررسی می‌کند که الکترون‌ها در مواد روی هم می‌چرخند. در سال 2010، او اولین کسی بود که مستقیماً یک اسکایرمیون منفرد – آرایش مارپیچی از اسپین‌های الکترونی – را با میکروسکوپ الکترونی مشاهده کرد، نقطه عطفی که راه را برای تصویربرداری از پیکربندی‌های پیچیده‌تر اسپین سه بعدی، از جمله تورون‌ها و هاپفیون‌ها باز کرد. درک چگونگی شکل‌گیری و رفتار این الگوها می‌تواند منجر به تولید دستگاه‌های نسل بعدی شود که کوچک‌تر، سریع‌تر و کارآمدتر از دستگاه‌های الکترونیکی امروزی هستند.

یو، برنده جایزه Wiley’s Women in Science Award در سال 2026، توضیح می‌دهد که تکنیک‌های میکروسکوپی پیشرفته چه چیزی می‌توانند در مورد ساختارهای مغناطیسی آشکار کنند و چگونه این بینش‌ها می‌توانند فناوری‌های اسپینترونیک آینده را شکل دهند.

چرا مطالعه ساختارهای مغناطیسی مهم است؟ چگونه آنها را مطالعه می کنید؟

مطالعه ساختارهای مغناطیسی که ارتباط نزدیکی با حالت‌های اسپین الکترون‌ها دارند، برای درک خواص مغناطیسی مواد ضروری است. چنین دستگاه های مبتنی بر چرخش نوید راندمان بالاتر، مصرف انرژی کمتر و عملکردهای جدید فراتر از وسایل الکترونیکی معمولی را می دهند.

ما ساختارهای مغناطیسی را با استفاده از ترکیبی از تحلیل نظری و تکنیک‌های تصویربرداری فضای واقعی برای تجسم ساختارهای مغناطیسی در مواد مطالعه می‌کنیم. این روش‌ها به ما اجازه می‌دهند تا تعیین کنیم که اسپین‌ها چگونه مرتب شده‌اند، چگونه برهم‌کنش دارند و چگونه این برهم‌کنش‌ها باعث رفتار مغناطیسی ماکروسکوپیک ماده می‌شوند.

برای کسی که هرگز نام skyrmion را نشنیده است، چگونه توضیح می دهید که چیست؟ اولین باری که یکی را دیدید چه چیزی را به خاطر دارید؟

اسکایرمیون در ابتدا به صورت تئوری به عنوان یک بافت چرخشی گرداب مانند در مواد مغناطیسی پیش بینی شده بود. قبل از اینکه مشاهدات فضای واقعی ممکن شود، یک شبکه اسکایرمیون شش ضلعی در یک آلیاژ منگنز-سیلیکون با استفاده از پراش نوترون با زاویه کوچک شناسایی شد. اگرچه این تکنیک نمی‌توانست مستقیماً پیکربندی پیچ خورده را تجسم کند، اما این نتایج تجربی به شدت من را برانگیخت تا تصویربرداری فضای واقعی از اسکایرمیون‌ها را در مواد واقعی دنبال کنم. از آنجایی که مفهوم نظری skyrmions قبلاً به خوبی تثبیت شده بود، توضیح ساختارهای مشاهده شده پس از اینکه در نهایت آنها را دیدیم دشوار نبود.

لحظه ای که برای اولین بار یک اسکایرمیون را تجسم کردم واقعاً هیجان انگیز بود. در سال 2009، با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری لورنتس، اسکایرمیون‌هایی در مقیاس نانومتری را در ماده Fe₀.5Co₀.5Si مشاهده کردم – که به دلیل الگوی مارپیچی اسپین الکترون به هلی مغناطیس معروف است – در دمای فوق‌العاده پایین 25 کلوین. هنگامی که یک نمونه کوچک بر روی یک میدان مغناطیسی روشن به نظر می‌رسد. همانطور که به تدریج میدان را افزایش دادم، نقاط بیشتری ظاهر شد و آنها به طور خود به خود خود را در یک شبکه شش ضلعی زیبا مرتب کردند. مشاهده مستقیم تشکیل یک شبکه اسکایرمیون شگفت انگیز بود.

تیم شما اکنون می تواند ساختارهای مغناطیسی را در سه بعدی ببیند. حالا چه چیزی را می توانید ببینید که قبلاً ندیده اید؟

ما چندین سال را صرف توسعه یک روش توموگرافی الکترونی جدید بر اساس میکروسکوپ فاز-کنتراست دیفرانسیل کرده‌ایم. این تکنیک به ما اجازه می دهد تا میدان های برداری سه بعدی ذاتی را در داخل مواد مغناطیسی با وضوح نانومتری ترسیم کنیم. ما می‌توانیم ساختارهای مغناطیسی سه‌بعدی پیچیده‌ای را تجسم کنیم که قبلاً مشاهده آنها در فضای واقعی غیرممکن بود، مانند رشته‌های skyrmion و antiskyrmion، گرداب‌های مغناطیسی سطحی، و سایر بافت‌های اسپین توپولوژیکی. این ساختارهای چرخشی مدت‌هاست که به صورت تئوری پیش‌بینی شده‌اند، اما قبلاً هرگز مستقیماً تصویربرداری نشده‌اند.

کدام ساختار مغناطیسی آیا فکر می کنید جذاب ترین است و چرا؟

در میان ساختارهای مغناطیسی توپولوژیکی مختلفی که مطالعه کرده‌ایم، هاپفیون‌ها را جذاب‌ترین می‌دانم. آنها دارای یک توپولوژی پیچیده سه بعدی اسپین کوپل شده هستند که توسط تصاویر دو بعدی قابل ثبت نیست.

رویکرد توموگرافیک ما به ما امکان می‌دهد این مکانیسم‌های چرخشی داخلی را در سه بعد بازسازی کنیم و جزئیاتی را که قبلاً کاملاً غیرقابل دسترس بودند آشکار کنیم. مشاهده این بافت‌های توپولوژیکی پیچیده که از مواد واقعی پدید می‌آیند، بینش جدیدی در مورد فیزیک بنیادی مغناطیس ارائه می‌کند و فرصت‌های هیجان‌انگیزی را برای کاربردهای آتی اسپین‌ترونیک باز می‌کند.

کار اخیر شما نشان داده است که گرما قابل تغییر است skyrmions به همتایان توپولوژیکی متضاد خود، آنتی اسکرمیون ها. چرا این کشف مهم است؟

این یافته مهم است زیرا نشان می دهد که علاوه بر جریان الکتریکی، جریان گرما نیز می تواند تبدیل بین اسکایرمیون ها و آنتی اسکایرمیون ها را تحریک کند. این بدان معنی است که توپولوژی بافت های مغناطیسی را می توان با مقادیر بسیار کمی انرژی کنترل کرد.

توانایی تنظیم تبدیل skyrmion-antiskyrmion توسط محرک های حرارتی، راه جدیدی را برای دستکاری ساختارهای اسپین توپولوژیکی باز می کند. این نشان می‌دهد که دستگاه‌های اسپینترونیک آینده ممکن است با استفاده از جریان‌های حرارتی کار کنند و به طور بالقوه امکان کنترل انرژی کارآمد پیکربندی‌های اسپین الکترون را فراهم کنند.

قبل از استفاده از skyrmions در دستگاه های واقعی چه چیزی را باید بدانید؟ به نظر شما در آینده چه کاربردهایی ممکن است داشته باشند؟

قبل از اینکه بتوان از اسکایرمیون ها در دستگاه های واقعی استفاده کرد، باید بدانیم که آنها تا چه اندازه در برابر تغییرات دما، نقص ها و سایر اختلالات مقاومت می کنند، چگونه در پاسخ به محرک های خارجی مانند جریان های الکتریکی، میدان های مغناطیسی و گرما حرکت می کنند و تا چه حد می توان آنها را به طور قابل اعتمادی تولید، دستکاری و پاک کرد به شیوه ای کنترل شده و کم مصرف.

این عوامل تعیین می‌کنند که آیا اسکایرمیون‌ها می‌توانند به عنوان حامل اطلاعات عملی در کاربردهای فناوری واقعی مانند دستگاه های حافظه، که در آن اندازه کوچک و حفاظت توپولوژیکی آنها می تواند ذخیره سازی داده با چگالی بالا و کم مصرف را امکان پذیر کند. آنها همچنین می توانند نقش مهمی در محاسبات مخزن فیزیکی داشته باشند، جایی که بافت های چرخشی پیچیده را می توان برای پردازش اطلاعات عصبی یا الهام گرفته از مغز استفاده کرد.

چی آیا دوست دارید مورد بعدی را کشف کنید؟

ما می‌خواهیم میکروسکوپ الکترونی عبوری لورنتس حل‌شده با زمان را با تحریک مایکروویو ترکیب کنیم تا دینامیک بافت‌های اسپین توپولوژیکی را بررسی کنیم و پدیده‌های کوانتومی مرتبط با آنها را بررسی کنیم.

شما به عنوان یک زن در عرصه علم با چه چالش هایی روبرو بوده اید؟ آیا شاهد تغییر این چالش ها در طول زندگی حرفه ای خود بوده اید؟

یکی از چالش هایی که ما همچنان با آن روبرو هستیم، تامین بودجه کافی برای تحقیقات و همچنین ایجاد تعادل بین زندگی کاری و خانوادگی است. در تجربه من، این چالش ها در طول زندگی حرفه ای من تغییر قابل توجهی نکرده است.

به زنان جوانی که می خواهند دانشمند شوند چه توصیه ای دارید؟

توصیه من این است که در مواجهه با رویدادهای مهم زندگی، مانند داشتن و بزرگ کردن یک فرزند خردسال، شغل پژوهشی را رها نکنید. در عوض، سعی کنید راه‌هایی برای کارآمدتر کار کردن و حفظ اشتیاق خود برای تحقیق پیدا کنید. ایجاد تعادل بین خانواده و حرفه در علم می تواند چالش برانگیز باشد، اما من زنان جوان را تشویق می کنم که به اهداف خود متعهد بمانند و به حرکت رو به جلو ادامه دهند.

جوایز Wiley Women in Science 2026 که در ماه مارس در مؤسسه فیزیک، آکادمی علوم چین برگزار شد، دانشمندان و دانشمندان برجسته را گرد هم آورد تا از کمک های برجسته نه محقق زن برجسته به دلیل مشارکت چشمگیر و تعهدشان به نوآوری تقدیر کند. ایجاد جوایز Wiley Women in Science که توسط مجله Advanced Physics Research پشتیبانی می شود، با هدف الهام بخشیدن به نسل بعدی محققان و حمایت از جامعه تحقیقاتی فراگیرتر و متنوع تر است.

تصویر برجسته توسط Xiuzhen Yu.