Ֆիզիկներն առաջին անգամ կարողացել են իրական ժամանակում հետևել, թե ինչպես է մագնիսական մրրիկների կարգավորված ցանցը աստիճանաբար վերածվում անկարգ կառուցվածքի: Փորձը թույլ է տվել անմիջականորեն հետևել այն թերություններին, որոնք առաջանում և փոխվում են նման անցման ընթացքում, և պարզել, որ դրանք տեղաշարժվում են մինչև հարյուր անգամ ավելի արագ, քան հենց մագնիսական մրրիկները: Հետազոտության արդյունքներն օգնում են ավելի լավ հասկանալ երկչափ համակարգերում ֆազային անցումների հիմնարար մեխանիզմները և կարող են նոր հնարավորություններ բացել տեղեկատվության պահպանման և մշակման էներգաարդյունավետ տեխնոլոգիաների մշակման համար:

Աշխատանքը հրապարակվել է Nature Nanotechnology հանդեսում 2025 թվականին: Հետազոտողների միջազգային խումբն օգտագործել է հատուկ մագնիսական բարակթաղանթային կառուցվածք և Կեռի մանրադիտակություն՝ բարձր տարածական և ժամանակային լուծաչափով մագնիսական ցանցի փոփոխություններին հետևելու համար:

Ինչ են սկրմիոնները և ինչու են դրանք հետաքրքրում գիտնականներին

Փորձի հիմքում ընկած էին սկրմիոնները՝ կայուն մագնիսական կառուցվածքները, որոնք իրենց պահում են առանձին մասնիկների նման: Դրանք առաջանում են որոշակի մագնիսական նյութերում և ներկայացնում են սպինների՝ մասնիկների սեփական մագնիսական մոմենտների հատուկ կոնֆիգուրացիա: Սկրմիոնները հատկանշական են իրենց տոպոլոգիական բնույթով. դրանց ներքին մագնիսական կառուցվածքն ունի որոշակի հատկություններ, որոնք անհնար է փոխել պարզ անընդհատ ձևափոխությամբ: Դրա շնորհիվ նման գոյացությունները կարող են պահպանել կայունությունը և տեղաշարժվել նյութի ներսում՝ փոխազդելով միմյանց հետ:

Բարակ մագնիսական թաղանթներում սկրմիոններն ընդունակ են ձևավորել կարգավորված երկչափ ցանցեր: Սա դրանք հետաքրքիր է դարձնում ոչ միայն ֆունդամենտալ ֆիզիկայի, այլև ցածր էներգասպառմամբ տեղեկատվության պահպանման և մշակման տեխնոլոգիաների մշակման համար: Այնուամենայնիվ, նման համակարգերի հատուկ արժեքն այն է, որ դրանք թույլ են տալիս ուսումնասիրել երկչափ նյութում տեղի ունեցող հիմնարար գործընթացները: Դրանցից մեկը հալումն է, այսինքն՝ անցումը կարգավորված վիճակից դեպի չկարգավորված:

Սովորական եռաչափ նյութում նման անցումը հաճախ ուղեկցվում է բյուրեղային կառուցվածքի բավականին կտրուկ քանդմամբ: Երկչափ համակարգերում գործընթացը կարող է այլ կերպ ընթանալ. կարգավորված վիճակի և հեղուկանման ֆազի միջև առաջանում է միջանկյալ վիճակ, որում մասնիկների դասավորությունն այլևս չի պահպանում նախկին կարգը, բայց դրանց փոխադարձ կողմնորոշումը մնում է համաձայնեցված: Հենց այս գործընթացին էին ֆիզիկները ձգտում առաջին անգամ մանրամասն հետևել անմիջապես փորձի ընթացքում:

Կարգից դեպի քաոս անցումը տեղի է ունենում երկու փուլով

Համաձայն Կոստերլից-Տաուլես-Հալպերին-Նելսոն-Յանգի տեսության (KTHNY), երկչափ համակարգերում հալումը կարող է անցնել երկու հաջորդական ֆազային վերակառուցումների միջոցով: Սկզբում քանդվում է հեռավոր տրանսլյացիոն կարգը՝ միմյանց նկատմամբ մասնիկների դասավորության օրինաչափությունը: Ընդ որում, պահպանվում է կողմնորոշման կարգը. մասնիկները շարունակում են առավելապես կողմնորոշվել՝ ըստ կառույցի ընդհանուր երկրաչափության: Առաջանում է այսպես կոչված հեքսատիկ ֆազ: Անվանումը կապված է դիտարկվող համակարգին բնորոշ վեցանկյուն սիմետրիայի հետ. դրանում պահպանվում է հարևան մասնիկների գերակշռող կողմնորոշումը, թեև դրանց դասավորությունն այլևս լիարժեք կարգավորված ցանց չի կազմում:

Հաջորդ փուլում քանդվում է նաև կողմնորոշման կարգը: Համակարգն անցնում է հեղուկանման վիճակի, որում կարգավորվածությունն գործնականում անհետանում է: Այս անցումներում առանցքային դեր են խաղում տոպոլոգիական թերությունները՝ ցանցի իդեալական կառուցվածքի խախտումները: Մասնավորապես, դրանք դիսլոկացիաներն են՝ կապված հարևան մասնիկների փոխադարձ դասավորության խախտման հետ, և դիսկլինացիաները, որոնք արտացոլում են դրանց կողմնորոշման կարգի խախտումները:

Տեսությունը կանխատեսում է, որ այս թերությունների առաջացումն ու փոփոխությունը որոշում են երկչափ հալման մեխանիզմը: Այնուամենայնիվ, մինչ օրս փորձարարական մեթոդները թույլ չէին տալիս բավարար ճշգրտությամբ հետևել իրադարձությունների ամբողջ հաջորդականությանը՝ անմիջապես տարածության և ժամանակի մեջ: Հետազոտողներին հաջողվել է հաղթահարել այս սահմանափակումը՝ հետևելով առանձին սկրմիոնների շարժմանը և դրանց ցանցի կառուցվածքի փոփոխություններին:

Ինչպես են ֆիզիկները հետևել հալմանը

Փորձի համար գիտնականները ստեղծել են տանտալից, կոբալտից, երկաթից, բորից և մագնեզիումի օքսիդից բաղկացած բազմաշերտ մագնիսական թաղանթ: Դրանում սկրմիոնները ձևավորում էին երկչափ կառուցվածք, որը հաջողվել էր կայունացնել վեցանկյունաձև տիրույթի ներսում:

Կեռի մանրադիտակությունը թույլ է տվել գրանցել մագնիսական կառուցվածքները մոտ 300 նանոմետր տարածական լուծաչափով և 62,5 միլիվայրկյան ժամանակային լուծաչափով: Սա հնարավորություն է տվել հետևել առանձին սկրմիոնների դիրքին և դիտել, թե ինչպես է փոխվում դրանց փոխադարձ դասավորությունը:

Գիտնականներն օգտագործել են կարգավորված ցանցից դեպի չկարգավորված վիճակ անցում առաջացնելու երկու եղանակ:

Առաջին դեպքում նրանք աստիճանաբար մեծացրել են նմուշի մակերեսին ուղղահայաց ուղղված արտաքին մագնիսական դաշտը: Դրա ազդեցությամբ սկրմիոնների չափերը փոքրանում էին, ինչի հետևանքով նվազում էր դրանց փաթեթավորման խտությունը: Մասնիկների համար ավելի շատ տարածք էր հայտնվում տեղաշարժվելու համար, մեծանում էր հասանելի կոնֆիգուրացիաների թիվը, և համակարգն աստիճանաբար կորցնում էր սկզբնական կարգը:

Երկրորդ դեպքում հետազոտողները կիրառել են մագնիսական դաշտի տատանումներ, որոնք բարձրացնում էին սկրմիոնների շարժունությունը: Սա թույլ էր տալիս ուժեղացնել դրանց դիֆուզիան և այլ եղանակով առաջացնել անցում դեպի չկարգավորված վիճակ:

Երկու մոտեցումներն էլ հանգեցրել են համաձայնեցված արդյունքների. գիտնականները դիտել են անցում կարգավորված ցանցից՝ հեքսատիկ ֆազի միջով, դեպի հեղուկանման վիճակ:

Ընդ որում, հետազոտողները չեն սահմանափակվել տարբեր պահերին արված պատկերների համեմատությամբ: Նրանք վերլուծել են մասնիկների դիրքերի և դրանց կողմնորոշումների միջև առկա կորելացիաները՝ որոշելով, թե որ փուլում է համակարգը կորցնում կարգի յուրաքանչյուր տեսակը:

Այսպես հաջողվել է փորձարարական ճանապարհով հետևել KTHNY տեսության կանխատեսած ֆազային անցումների հաջորդականությանը:

Ինչու է հայտնագործությունը կարևոր ապագայի տեխնոլոգիաների համար

Հետազոտությունն առաջին հերթին ֆունդամենտալ նշանակություն ունի. այն թույլ է տվել անմիջականորեն դիտել երկչափ հալման մեխանիզմը, որը նախկինում նկարագրվում էր հիմնականում տեսականորեն և ուսումնասիրվում էր սահմանափակ փորձարարական հնարավորություններով:

Այնուամենայնիվ, արդյունքները կարող են հետաքրքրություն ներկայացնել նաև նոր տեխնոլոգիաների մշակման համար: Սկրմիոնները դիտարկվում են որպես տեղեկատվության պահպանման և մշակման սարքերի հեռանկարային տարրեր: Շնորհիվ իրենց մագնիսական հատկությունների՝ դրանք պոտենցիալ կարող են օգտագործվել կոմպակտ համակարգերի ստեղծման համար, որոնցում տեղեկատվական տարրերի տեղաշարժը և կոնֆիգուրացիայի փոփոխությունը պահանջում են համեմատաբար փոքր էներգիայի ծախսեր:

Այս համատեքստում թերությունների վարքագծի ըմբռնումը գործնական նշանակություն է ստանում: Եթե հաջողվի վերահսկելի կերպով կառավարել դրանց առաջացումը, շարժումը և փոխազդեցությունը, դա կարող է օգնել մշակելու սարքեր, որոնք ընդունակ են արագորեն փոխել մագնիսական կառուցվածքի վիճակը: Հետազոտողները նշում են, որ նյութի էներգետիկ լանդշաֆտի հատուկ կարգավորման դեպքում թերությունների որոշ վերակառուցումներ պոտենցիալ հնարավոր է դարձնել կառավարելի: Հեռանկարում դա կարող էր թույլ տալ օգտագործել դրանց շարժումը ցածր էներգասպառմամբ տեղեկատվության փոխանցման համար:

Միևնույն ժամանակ, նման սարքերի գործնական իրականացմանը դեռևս հեռու է: Հեղինակները նշում են, որ հետագա հետազոտությունների համար անհրաժեշտ է ստեղծել նյութեր՝ սկրմիոնների ամրացման ավելի փոքր թվով տեղամասերով, որոնք խոչընդոտում են դրանց ազատ շարժմանը: Սա թույլ կտա ավելի ճշգրիտ ուսումնասիրել թերությունների փոխազդեցությունը, մեխանիկական դեֆորմացիաների ազդեցությունը և երկչափ մագնիսական համակարգերի այլ առանձնահատկությունները: