وصف الفيزيائيون التبديل بالقصور الذاتي لمغنطة الجسيمات النانوية على فترات زمنية قصيرة للغاية في ظل ظروف الضوضاء الحرارية

تتطلب تقنيات تيراهيرتز الحديثة والإلكترونيات السبينية فائقة السرعة وصفًا للديناميكيات المغناطيسية على نطاقات زمنية قصيرة جدًا. في مثل هذه الأنظمة، يحدث تبديل مغنطة المغناطيسات النانوية – وهي قيمة تميز العزم المغناطيسي الإجمالي للنظام – عند أوقات البيكو ثانية وتحت البيكو ثانية. في هذه الحالة، تصبح النماذج التقليدية، التي تعتبر فيها المغنطة عديمة القصور الذاتي وتستجيب بشكل فوري للتغيرات في المجال، غير كافية. “بعبارات بسيطة، تصف النظرية التقليدية العزم المغناطيسي كمتجه يتحرك حول مجال مغناطيسي. ولكن في العمليات فائقة السرعة، يتصرف العزم المغناطيسي أشبه بقمة ثقيلة: يتم فرض مقدمة ناقل العزم المغناطيسي حول المجال المغناطيسي الفعال بواسطة حركة متذبذبة إضافية – إيماءة المتجه،” أوضح أنطون تيتوف، باحث مبتدئ في مختبر تيراهيرتز سبينترونيكس التابع لـ MIPT. طور الباحثون نموذجًا نظريًا يصف ديناميكيات القصور الذاتي لمغنطة المغناطيس النانوي في مجال خارجي في ظل ظروف التقلبات الحرارية. كنظام نموذجي، استخدم العلماء مغناطيسًا نانويًا أحادي المحور مع اتجاهين مغنطيسيين ثابتين يفصل بينهما حاجز طاقة. ثم أخذوا في الاعتبار المجال الخارجي، الذي يجعل هذين الاتجاهين غير متساويين: يصبح أحد الحفرة المحتملة أعمق، والآخر يصبح أقل عمقا. هذا جعل من الممكن محاكاة موقف واقعي حيث يؤثر المجال الخارجي على احتمالية إعادة توجيه المغنطة بين الحالات المستقرة. بعد ذلك، تمت إضافة الضوضاء الحرارية إلى النموذج، لأن التقلبات الحرارية في ظل الظروف العادية في الأنظمة النانوية المغزلية تؤثر على ديناميكيات المغنطة داخل الآبار المحتملة ويمكن أن “ترمي” المغنطة من حالة إلى أخرى. تم نشر المقال في مجلة Physical Review B. السمة الرئيسية للنموذج المقترح هو أنه يأخذ في الاعتبار القصور الذاتي للمغنطة. وهذا يعني أنه يأخذ في الاعتبار إمكانية الإيماء السريع للغاية، وهو تذبذب إضافي لمتجه المغنطة. يتم فرض هذه الحركة على الحركة العادية حول المجال المغناطيسي الفعال. لا تصف النماذج التقليدية الخالية من القصور الذاتي مثل هذه الديناميكيات في النظام. قام الباحثون بحساب طيف القابلية المغناطيسية لمعرفة أنواع الاسترخاء التي حدثت. أظهرت نتائج المحاكاة أن طيف القابلية المغناطيسية الطولية له ثلاثة أوضاع متميزة، تتوافق مع ثلاثة أوضاع استرخاء. ترتبط عملية الاسترخاء البطيئة بإعادة توجيه المغنطة عبر الحاجز المحتمل. في هذا الوضع، يمكن للمغناطيس النانوي الموجود في إحدى الحالات المستقرة أن ينتقل إلى حالة أخرى عندما يتغير المجال الخارجي وتحت تأثير التقلبات الحرارية. يتوافق النظام الوسيط مع الاسترخاء المحلي في منطقة الحد الأدنى المحتمل: لا تنتقل المغنطة من حالة إلى أخرى، ولكنها تؤدي حركة تمهيدية داخل بئر محتملة واحدة، وتعود تدريجيًا إلى الحالة المقابلة لتوزيع التوازن. والوضع الثالث هو عملية استرخاء سريعة. يتم تحديده من خلال الحركة التمغنطية للمغنطة – وهو تأثير بالقصور الذاتي لا يمكن ملاحظته في التقريب الخالي من القصور الذاتي. تتيح الطريقة المقترحة حساب مدى حساسية الجسيمات النانوية الحديدية المغناطيسية في نطاق ترددي واسع – من منطقة التردد المنخفض إلى نطاق تيراهيرتز، حيث تصبح مراعاة القصور الذاتي للمغنطة أمرًا مهمًا بشكل أساسي. قال أنطون تيتوف: “إن النهج النظري الذي طورناه عالمي. فهو يجمع بين الإنجازات السابقة القائمة على الاعتبارات التقليدية للعمليات الديناميكية المغناطيسية الخالية من القصور الذاتي في نظام الدوران، والنتائج الجديدة المتعلقة بالقصور الذاتي للمغنطة”. يساعد هذا البحث على الانتقال من صورة مبسطة لمغناطيس نانوي إلى نموذج أكثر واقعية يأخذ في الاعتبار في الوقت نفسه التقلبات الحرارية، وتأثير المجال الخارجي، والتغلب على حواجز الطاقة وتمايل المغنطة. يفتح هذا النهج إمكانيات جديدة لأجهزة الذاكرة المغناطيسية المستقبلية، والإلكترونيات السبينية، وفيزياء التيراهيرتز.