מחקר חדש מציע מבט מעמיק על חומר דו-ממדי בשם ניקל-יודיד (NiI₂) ומגלה תופעות מגנטיות יוצאות דופן שלא נצפו עד כה בחומרים דומים. צוות חוקרים בינלאומי, בהובלת קבוצת CoMiQs Lab באוניברסיטת אריאל, בחן את תכונות החומר בעזרת שורה של מדידות מתקדמות, וגילה כי המגנטיות שלו תואמת למודל תאורטי מורכב הקרוי "מודל קיטאייב". מדובר במודל שחוזה סידורי מגנטיות לא שגרתיים, ולעיתים אף "אקזוטיים", שהיה קשה מאוד לאימות בניסוי עד היום.
ד"ר נימרוד בכר מהמחלקה לפיזיקה באוניברסיטת אריאל, ומוביל צוות המחקר, אמר כי "המשמעות של ההתאמה למודל קיטאייב היא שחומר לכאורה פשוט, שניתן לייצור במעבדה, מתברר כבעל פיזיקה עשירה ומורכבת. זה פותח דלת להבנה חדשה של התנהגות מגנטית במערכות דו-ממדיות וגם השימוש בה ליישומים". לדבריו, במשך שנים רבות מחפשים מדענים חומרים שמראים סימנים ברורים לאינטראקציות מסוג זה, וכעת נראה שניקל-יודיד מציג עדות ברורה במיוחד.
3 צפייה בגלריה
גרף שמאלי: תלות של התדירות של התנודות המגנטיות בחומר (מגנונים) בשדה המגנטי. הנקודות נלקחו מהמדידה והקו הוא התיאוריה של מודל קיטאייב שמראה התאמה טובה מאוד ביניהם. גרף מרכזי: המוליכות הכיראלית של החומר כפי שנמדדה בניסוי ומראה ששתי התנודות הקולקטיביות מפתחות תלות בקיטוב המעגלי של האור, כאשר אחד מגיב יותר לקיטוב מעגלי שמאלי (+) והשני לקיטוב מעגלי ימני (-). גרף ימני: תמונת צבע המדגימה את חוזקת בליעת האור החומר בתלות בשדה מגנטי. ניתן לראות כי כל תנודה מגנטית מגיבה שונה בשדה מגנטי חיובי מול שדה מגנטי שלילי ובנוסף תגובה הפוכה האחד לשני, מה שמוכיח את ההתנהגות הכיראלית שלהםגרף שמאלי: תלות של התדירות של התנודות המגנטיות בחומר (מגנונים) בשדה המגנטי. הנקודות נלקחו מהמדידה והקו הוא התיאוריה של מודל קיטאייב שמראה התאמה טובה מאוד ביניהם. גרף מרכזי: המוליכות הכיראלית של החומר כפי שנמדדה בניסוי ומראה ששתי התנודות הקולקטיביות מפתחות תלות בקיטוב המעגלי של האור, כאשר אחד מגיב יותר לקיטוב מעגלי שמאלי (+) והשני לקיטוב מעגלי ימני (-). גרף ימני: תמונת צבע המדגימה את חוזקת בליעת האור החומר בתלות בשדה מגנטי. ניתן לראות כי כל תנודה מגנטית מגיבה שונה בשדה מגנטי חיובי מול שדה מגנטי שלילי ובנוסף תגובה הפוכה האחד לשני, מה שמוכיח את ההתנהגות הכיראלית שלהם
גרף שמאלי: תלות של התדירות של התנודות המגנטיות בחומר (מגנונים) בשדה המגנטי. הנקודות נלקחו מהמדידה והקו הוא התיאוריה של מודל קיטאייב שמראה התאמה טובה מאוד ביניהם. גרף מרכזי: המוליכות הכיראלית של החומר כפי שנמדדה בניסוי ומראה ששתי התנודות הקולקטיביות מפתחות תלות בקיטוב המעגלי של האור, כאשר אחד מגיב יותר לקיטוב מעגלי שמאלי (+) והשני לקיטוב מעגלי ימני (-). גרף ימני: תמונת צבע המדגימה את חוזקת בליעת האור החומר בתלות בשדה מגנטי. ניתן לראות כי כל תנודה מגנטית מגיבה שונה בשדה מגנטי חיובי מול שדה מגנטי שלילי ובנוסף תגובה הפוכה האחד לשני, מה שמוכיח את ההתנהגות הכיראלית שלהם
(איור: באדיבות אוניברסיטת אריאל)
אחת התכונות המשמעותיות היא היכולת לשלוט במגנטיות של ניקל-יודיד בעזרת מתח חשמלי. החומר משלב בין תכונה מגנטית הנקראת אנטי-פרומגנטיות, שבה כיווני הספינים מנוגדים זה לזה, לבין תכונת פירו-אלקטריות, קיטוב חשמלי קבוע המובנה בתוך המבנה האטומי.
שינוי המתח החשמלי משנה את הקיטוב, וזה מוביל לשינוי ישיר גם במבנה המגנטי. "היכולת לשנות את המגנטיות בעזרת חשמל מבטלת את הצורך להשתמש בשדות מגנטיים חזקים, שהשליטה בהם יותר מורכבת בהתקנים מעשיים. אם נצליח לשלוט במגנטיות בצורה חשמלית, נוכל לפתח דור חדש של התקני זיכרון שיהיו מהירים יותר וידרשו הרבה פחות אנרגיה. אבל קודם כל צריך למצוא את המועמד המתאים לכך", מסביר ד"ר בכר.
החוקרים השתמשו בשיטות מתקדמות לבדיקת תגובת החומר לאור, כמו מדידות סיבוב קיטוב האור במעבר דרך החומר ובדיקה של בליעת אור בתדרים שונים. הנתונים חשפו שני מצבי תנודה מגנטיים שהגיבו באופן שונה לאור בקיטוב מעגלי ימני ושמאלי. תגובה כזו, הנקראת כיראליות, רומזת על מבנה מגנטי לולייני ואסימטרי בחומר.
3 צפייה בגלריה
מדידה של אור על גבי גביש הדומה למבנה החומר הנמדד. לאור יש קיטוב מעגלי ובאמצעותו ניתן למדוד את התגובה הכיראלית של החומר, שמיוצגת על יד החיצים הכחולים והאדומים המסתובבים בכיוונים שוניםמדידה של אור על גבי גביש הדומה למבנה החומר הנמדד. לאור יש קיטוב מעגלי ובאמצעותו ניתן למדוד את התגובה הכיראלית של החומר, שמיוצגת על יד החיצים הכחולים והאדומים המסתובבים בכיוונים שונים
מדידה של אור על גבי גביש הדומה למבנה החומר הנמדד. לאור יש קיטוב מעגלי ובאמצעותו ניתן למדוד את התגובה הכיראלית של החומר, שמיוצגת על יד החיצים הכחולים והאדומים המסתובבים בכיוונים שונים
(הדמיה: באדיבות ד"ר נימרוד בכר)
העובדה שהתופעה מופיעה בניקל-יודיד, גם ללא כל שדה מגנטי חיצוני, נחשבת מפתיעה במיוחד. יחד עם המדידות החדשות שבוצעו במחקר בתלות בשדה מגנטי חזק, החוקרים זיהו התאמה חזקה למודל קיטאייב, שמנבא תלות כיוונית מורכבת בין המומנטים המגנטיים בחומר.
לניקל-יודיד יש תכונה מעניינת נוספת: לפתח מבנים מגנטיים בצורת מערבולות זעירות, הנקראות סקירמיונים. מערבולות אלה נחשבות מועמדות מבטיחות לאחסון מידע בצפיפות גבוהה במיוחד, וכן כמנגנון שיכול לאפשר מערכות מחשוב יציבות ויעילות. "אם נצליח לשלוט בסקירמיונים שנוצרים בחומרים כאלה, נוכל לבנות התקנים שמנצלים את היציבות הטופולוגית הטבעית שלהם להעברת מידע. זה כיוון מחקר שמעסיק קבוצות רבות ברחבי העולם", אומר ד"ר בכר.
3 צפייה בגלריה
חלק מצוות המחקר. ד"ר קארטיק פנדה (שני מימין), דניאל בזיליאנסקי (רביעי מימין) וד"ר נימרוד בכר, ראש קבוצת המחקר CoMiQs Lab (שלישי משמאל)חלק מצוות המחקר. ד"ר קארטיק פנדה (שני מימין), דניאל בזיליאנסקי (רביעי מימין) וד"ר נימרוד בכר, ראש קבוצת המחקר CoMiQs Lab (שלישי משמאל)
חלק מצוות המחקר. ד"ר קארטיק פנדה (שני מימין), דניאל בזיליאנסקי (רביעי מימין) וד"ר נימרוד בכר, ראש קבוצת המחקר CoMiQs Lab (שלישי משמאל)
(צילום: באדיבות אוניברסיטת אריאל)
מבחינה תאורטית, הצוות פיתח מודל חישובי המבוסס על אינטראקציות מסוג קיטאייב, בתוספת רכיב קטן וידוע של שבירת סימטריה פנימית בחומר. מודל זה הצליח לשחזר במדויק את המדידות של צוות המחקר: את פיצול המנגנונים, את השינויים שלהם תחת שדה מגנטי, ואת האופי הכיראלי של התגובות האופטיות. בהתאם לכך, החוקרים מציעים שמודל קיטאייב הוא למעשה התיאור הפיזיקלי המרכזי של ניקל-יודיד, יותר מהמודלים הקודמים שהתייחסו אליו באופן קונבנציונלי כמגנט לולייני רגיל.
ניתן לומר כי המחקר, אשר מומן ונתמך על ידי הקרן הלאומית למדע בישראל, מציב את ניקל-יודיד בחזית מחקר החומרים המתקדמים: חומר דקיק שניתן לשלוט בתכונותיו המגנטיות באמצעות חשמל, שמגלה מבנים מגנטיים מורכבים מאוד, ושמסוגל אולי לארח מערבולות מגנטיות זעירות. "זה חומר שמאפשר לנו לגעת בגבול שבין תיאוריה מופשטת לבין יישומים אפשריים. המדידות שלנו שהתמקדו באינטראקציה של האור עם החומר למעשה חשפו את ההתנהגות הזאת. המחקר על החומר הזה פותח הזדמנויות לשימושים בתכונות מגנטיות בצורות חדשות, וייתכן מאוד שהפיתוחים שיגיעו ממנו ישפיעו על טכנולוגיות העתיד", מסכם ד"ר בכר.