ساخت ماده‌ای نوین با خواص الکتریکی و مغناطیسی همزمان در دانشگاه رایس

مهندسان دانشگاه رایس در ایالات متحده موفق به ساخت ماده‌ای نوین شده‌اند که قابلیت‌های الکتریکی و مغناطیسی را به صورت همزمان دارا است. این دستاورد علمی که در حوزه مواد «چندفروئیک» طبقه‌بندی می‌شود، گامی بلند در جهت توسعه فناوری‌های نوین به شمار می‌رود.

ماده جدید در مقایسه با نمونه‌های استاندارد، دارای ۱۰ برابر مغناطش بیشتر و ۱۰۰ برابر کوپلینگ مگنتوالکتریک بالاتر است که این ویژگی‌ها کنترل‌پذیری آن را به شکل چشمگیری افزایش می‌دهد. این قابلیت‌ها افق‌های جدیدی را برای توسعه حافظه‌ها و مدارهای منطقی کم‌مصرف، و به طور کلی در حوزه رایانش کم‌انرژی، می‌گشاید.

چالش‌های پیشین و راهکار نوین

پیش از این، پژوهشگران از ماده چندفروئیکی به نام Bismuth Ferrite استفاده می‌کردند که به دلیل خنثی شدن گشتاورهای اتمی، عملکرد مغناطیسی ضعیفی داشت. یکی از مهم‌ترین چالش‌های محققان، یافتن ماده‌ای بود که علاوه بر حفظ خواص در دمای اتاق، عملکرد مغناطیسی مطلوبی نیز داشته باشد.

برای فائق آمدن بر این مشکلات، پژوهشگران دانشگاه رایس یک جزء غیرمغناطیسی به نام Barium Titanate را به ماده موجود اضافه کرده‌اند. این تغییر، ضمن حفظ خواص الکتریکی ماده اصلی، به طور قابل توجهی مغناطش کلی آن را افزایش داده است.

فرایند ساخت و مهندسی دقیق

فرایند ساخت این ماده شامل ترکیب دو جزء با هدف مهندسی دقیق کُرنِش (Strain)، به معنای تغییر شکل نسبی یک ماده در پاسخ به تنش اعمال شده، می‌شود. این ترکیب سپس به صورت یک نوار نازک روی یک بستر رشد داده می‌شود. تیم پژوهشگر بیش از ۶ ماه را صرف ساخت و آزمایش نمونه‌های مختلف کرده است.

«هیچ‌کس پیش از این هر دو اهرم، یعنی کرنش و شیمی، را همزمان تنظیم نکرده بود. ما توانستیم دو سامانه ماده‌ای متفاوت را در یک ماده جدید با ساختاری جدید و ترکیبی تازه از خواص ترکیب کنیم.»

لین مارتین، دانشمند مواد در دانشگاه رایس

اهمیت مواد چندفروئیک در فناوری

مواد چندفروئیک، که بیش از دو دهه است مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، موادی با چندین پارامتر نظم هستند. این مواد به دلیل کوپلینگ مشاهده شده در خواص مغناطیسی‌شان، بسیار امیدوارکننده تلقی می‌شوند. این کوپلینگ امکان تغییر مغناطش یک ماده مغناطیسی توسط میدان الکتریکی، یا تغییر قطبش یک ماده توسط میدان مغناطیسی را فراهم می‌آورد.

به همین دلیل، این دسته از مواد برای کاربردهایی نظیر ذخیره‌سازی داده، توسعه حافظه‌های نوین و انجام همزمان عملیات حافظه و منطق با مصرف انرژی کمتر، مورد توجه ویژه قرار گرفته‌اند.

نتایج این تحقیقات پیشگامانه در ژورنال معتبر PNAS منتشر شده است.