عوامل Opus 5.5 دو نامزد نیمه هادی مغناطیسی در دمای اتاق را کشف کردند

همه ما به دو نوع آهنربا عادت داریم. آهنربای معمولی، آهنربای یخچال، فرومغناطیسی است - آهنرباهای اتمی آن همه به یک سمت (بالا یا پایین) حرکت می کنند و اثرات مغناطیسی خود را اضافه می کنند. آنتی فرومغناطیس (AF) که کمتر شناخته شده است، دارای آهنرباهای اتمی همسایه ای است که مسیرهای مخالف را نشان می دهند و دقیقا به صورت مغناطیسی خنثی می شوند.

برای مدت طولانی، انگیزه شدیدی در تحقیقات حافظه رایانه ای برای ایجاد مواد بین این دو افراط وجود دارد. برای این منظور کمک می کند تا تصویر روشنی از معنای این افراط داشته باشیم.

امروز، آنچه را که پیدا کردیم به اشتراک می‌گذارم. تیمی از عوامل هوش مصنوعی و من یک آهنربای نامزد را طراحی کردیم و دیگری را پیدا کردیم که برای اولین بار در سال 1999 ساخته شد، که محاسبات ما پیش‌بینی می‌کند که ویژگی‌هایی را دارد که ما دنبالش بودیم.

اما قبل از پرداختن به جزئیات، اجازه دهید ابتدا یک پرایمر آهنربایی که تمام 90 ثانیه طول می کشد، ارائه کنم، با این فرض که شما دانشجوی لیسانس فیزیک یا شیمی نیستید.

هر الکترون دارای خاصیت مکانیکی کوانتومی به نام اسپین است که مسئول گشتاور مغناطیسی آن است. می‌توانیم جهت اسپین هر الکترون را به صورت رو به بالا یا پایین مدل کنیم.

ما از چرخش برای ذخیره سازی استفاده می کنیم. یک ماده مغناطیسی اطلاعات را بر اساس جهت چرخش به بالا/پایین الکترون های خود ذخیره می کند، به همان روشی که آهنرباهای کلاسیک اطلاعات را بر اساس اشاره به بالا/پایین ذخیره می کنند. بارزترین نمونه اسپینترونیک هد خواندن هارد دیسک است، دستگاهی که بیت های مغناطیسی روی دیسک را می خواند. MRAM نوع دیگری از اسپینترونیک است که از همین اصل برای ذخیره اطلاعات باینری به روشی غیر فرار استفاده می کند.

در دنیای اسپینترونیک، ما می خواهیم الکترون ها را بر اساس جهت اسپین آنها مرتب کنیم تا بتوانیم اطلاعات آنها را بخوانیم/ذخیره کنیم. فرومغناطیس‌ها این کار را به طور طبیعی انجام می‌دهند: الکترون‌هایی که جریان را حمل می‌کنند، عمدتا یک اسپین، بالا یا پایین هستند. با این حال، ضد فرومغناطیس های معمولی نمی توانند الکترون های بالا/پایین را تشخیص دهند.

مواد فرومغناطیسی با داشتن یک میدان مغناطیسی ماکروسکوپیک یا میدانی که از سطح به بیرون نشت می کند مشخص می شود. به همین دلیل است که آهنربای یخچال به درب یخچال شما می چسبد.

با این حال، مشکل این است که میدان مغناطیسی با مواد مجاور تداخل می کند و کنترل آن برای اهداف ذخیره سازی دشوار است. علاوه بر این، تعویض آهنرباها به جلو و عقب نسبتا کند است و انرژی زیادی مصرف می کند.

یکی دیگر از ویژگی های مواد فرومغناطیسی این است که اسپین ها (بر اساس جهت بالا/پایین) بر اساس سطح انرژی مرتب می شوند. وقتی به طیف انرژی الکترون‌ها نگاه می‌کنیم، می‌توانیم این را ببینیم: در نزدیکی لبه‌های طیف، الکترون‌ها همگی اسپین یکسانی دارند.

اگر موارد بالا را در نظر بگیریم و منطق را برگردانیم، یعنی چرخش ها مرتب نشده اند، در نهایت به یک ماده ضد فرومغناطیسی معمولی می رسیم.

در اینجا الکترون های هم سطح انرژی در عوض دارای اسپین های مختلط خواهند بود. این ما را به دو ویژگی مورد علاقه هدایت می کند:

تنها مشکل این است که اگر اسپین ها در هر سطح انرژی مخلوط شوند، چگونه آنها را بر اساس انرژی مرتب می کنیم؟ چگونه با این عدم مرتب‌سازی راهی برای خواندن/ذخیره اطلاعات با استفاده از spintronic پیدا کنیم؟

این ما را به نوع سوم می رساند، جبران شده لوتینگر (LC).

مواد LC ضد فرومغناطیس‌هایی هستند که در آن اتم‌های اسپین‌آپ و اتم‌های اسپین‌به‌پایین اندازه مغناطیسی یکسانی دارند و گشتاور اسپین خالص را صفر می‌کنند (یعنی خنثی می‌شوند). با این حال، برخلاف ضد فرومغناطیس‌های معمولی، اتم‌های بالا و پایین در محیط‌های نامتعادل قرار می‌گیرند: آنها می‌توانند عناصر متفاوتی باشند (مثلا یک عنصر به سمت بالا و دیگری به سمت پایین) یا همان عنصر در دو نوع مکان متفاوت باشند. این نام از قضیه لوتینگر گرفته شده است: در یک عایق، لحظه چرخش خالص هر واحد تکرار شونده کریستال باید یک عدد کامل باشد، بنابراین وقتی صفر شد، روی صفر قفل می‌شود.

به طور دقیق، این برای یک کریستال کامل نزدیک به صفر مطلق صدق می کند. اثرات کوچکتر مانند جفت چرخش-مدار و گرما، می تواند یک عدم تعادل جزئی ایجاد کند.

از آنجایی که اتم‌های بالا و پایین معادل نیستند، اسپین‌های بالا/پایین را می‌توان بر اساس انرژی جدا کرد، درست مانند مواد فرو.

بیایید بخش های قبلی را در نظر بگیریم و به نحوه توزیع اسپین در چشم انداز انرژی برای آهنرباهای فرو، ضد فرو و LC نگاه کنیم.

آنچه برای ذخیره سازی اهمیت دارد، «پنجره اسپین» است: تکه ای از انرژی در لبه شکاف نواری که در آن هر حالت الکترونی موجود اسپین یکسانی دارد. هرچه این پنجره در مقایسه با لرزش حرارتی در دمای اتاق (حدود 26 مگا ولت) بزرگ‌تر باشد، الکترون‌ها بهتر مرتب می‌شوند.

این بدان معناست که ما دوست داریم نیمه هادی با شکاف نواری داشته باشیم، بدون از دست دادن توانایی جداسازی اسپین ها بر اساس سطوح انرژی، و با مغناطیس خالص صفر.

اینجاست که عوامل هوش مصنوعی ما (و من) وارد صحنه می شوند. بیایید بررسی کنیم که چگونه این عوامل دو ماده امیدوارکننده برای حافظه رایانه نسل بعدی پیدا کردند.

عوامل شبیه‌سازی‌های مکانیکی کوانتومی هر کریستال را با روش استاندارد برای این، نظریه تابعی چگالی، در دو سطح تقریب اجرا کردند: یکی سریع‌تر (PBE+U) و دیگری کندتر، معمولا دقیق‌تر (HSE06). شکاف‌های باند و پنجره‌های چرخشی زیر از پنجره دقیق‌تری می‌آیند.

ابتدا، بیایید ببینیم که عوامل هوش مصنوعی ما چه طراحی کرده اند:

در حالی که این یک نامزد بسیار امیدوار کننده به نظر می رسد، طراحی به اتم های منگنز و آهن نیاز دارد تا در یک صفحه شطرنجی کامل قرار گیرند. وقتی عوامل ما نحوه چیدمان اتم‌ها در دماهای مختلف را شبیه‌سازی کردند، آن تخته شطرنجی در یک ترکیب تصادفی در حدود 950 کلوین از هم جدا شد. ساخت این نوع اکسید حدود 900 تا 1300 درجه سانتی‌گراد طول می‌کشد، و در دمای پایین‌تر اتم‌ها به سختی حرکت می‌کنند، بنابراین سنتز استاندارد احتمالا یک کریستال درهم ایجاد می‌کند.

یک کریستال درهم، مرتب سازی چرخشی را از دست می دهد، بنابراین ساخت این طرح به شکل مفیدش ممکن است سخت باشد.

مدت کوتاهی پس از آن، نماینده من این مطلب جالب را پیدا کرد که قبلا فقط در سال 1999 گزارش شده بود، که با بسیاری از الزامات بالا مطابقت دارد. مغناطیس خالص صفر آن چیز جدیدی نیست: شیمیدانانی که آن را ساخته اند، مغناطیس دو فلز را برای خنثی کردن طراحی کردند. حتی مرتب‌سازی چرخشی آن قبلا روی کاغذ بود. مطالعه‌ای در سال 2008 با استفاده از تابع‌های ترکیبی مانند ما، حالت‌های الکترونی آن را اسپین به اسپین ترسیم کرد، و هر دو لبه نوار در آن نمودار اسپین یکسان را دارند. اما آن مطالعه در مورد جفت مغناطیسی تحت فشار بود و هرگز در مورد آن اظهار نظر نکرد.

تا آنجا که ما متوجه شدیم، هیچ کس به این موضوع اشاره نکرده بود که این باعث می شود KV[Cr(CN)6] یک نیمه هادی جبران شده توسط لوتینگر باشد، اعدادی را بر روی پنجره های طبقه بندی شده اسپین آن قرار دهد، یا میزان استحکام آنها را آزمایش کند. در دید آشکار پنهان شده بود.

KV[Cr(CN)6] متعلق به همان خانواده آبی پروس، رنگدانه 300 ساله است.

نماینده ما آن را به عنوان یک ماده جبران شده توسط لوتینگر شناسایی کرد:

این پیش بینی ها برای یک کریستال کامل و خشک است. تنها نمونه تا کنون، از سال 1999، پودری با آب در منافذ آن است و یک گشتاور مغناطیسی باقی مانده کوچک را نشان می دهد (0.125 مگنتون بور در هر واحد فرمول، که در آن کریستال کامل صفر خواهد بود). دو روش شبیه‌سازی ما در مورد میزان تضعیف اثر آب با هم اختلاف نظر دارند: روش دقیق‌تر (HSE06) می‌گوید مرتب‌سازی چرخشی زنده می‌ماند، در حالی که روش سریع‌تر (PBE+U) می‌گوید که پنجره سوراخ بیش از نصف کوچک می‌شود. هنوز شکاف نواری و مرتب‌سازی اسپین اندازه‌گیری نشده است.

ما ماده ای را شناسایی کردیم که خواص دو نوع آشنای آهنربا را ترکیب می کند و می تواند در دستگاه های اسپینترونیک مفید باشد. ما معتقدیم دو ماده مورد بحث در این مقاله نمونه‌های امیدوارکننده‌ای از دسته‌ای از مواد هستند که هم خواص ضد فرومغناطیسی و هم خواص فرومغناطیسی دارند.

ویژگی های کلیدی برای هر دو ماده: در محاسبات ما برای کریستال های کامل، آنها گشتاور خالص اسپین صفر دارند، با این حال آنها نیمه رسانایی هستند که الکترون های آنها با چرخش بر روی پنجره های بسیار بزرگتر از لرزش حرارتی در دمای اتاق مرتب می شوند. با میدان مغناطیسی کمی سرگردان، نباید همسایگان خود را زیاد مزاحم کنند.

این نشان می دهد که مواد برای مرحله بعدی در اسپینترونیک ممکن است از قبل وجود داشته باشند و منتظر شناسایی باشند. مطالعه‌ای در سال 2025 که دو نیمه‌رسانای جبران‌شده توسط لوتینگر را پیش‌بینی کرد، نشان داد که هر دو نظم مغناطیسی خود را زیر دمای اتاق از دست می‌دهند و دمای اتاق را به عنوان هدف باز نام‌گذاری کردند. KV[Cr(CN)6] قبلا ساخته شده است، و نمونه 1999 آن تا 376 کلوین سفارش داده شده است. شناسایی نیمه هادی های جبران شده با دمای اتاق، گامی به سوی فناوری های عملی مبتنی بر اسپین است، به ویژه اگر خواص مغناطیسی آنها را بتوان از طریق شیمی کنترل کرد.

مرحله بعدی این است که دوباره KV[Cr(CN)6] بسازیم و مرتب سازی اسپین آن را مستقیما اندازه گیری کنیم.

با روحیه شفافیت، از خواننده دعوت می‌کنم تا تمام محاسباتی را که پیش‌بینی‌های فوق را ایجاد کرده است، از جمله محاسبات پشت طرح‌های نامزد انجام دهد. فایل‌های ورودی، خروجی‌های خام و کد تجزیه و تحلیل پشت اعداد موجود در این پست، به همراه یک چک‌کننده یک فرمانی، اجرای مجدد مستقل و فهرستی از هشدارهای شناخته شده، در یک مخزن عمومی که من برای مستند کردن سفر تحقیقاتی خود ایجاد کردم، در GitHub به اشتراک گذاشته شده است: github.com/spicylemonade/compensated-magnet-ledger.