اكتشف الباحثون طريقة جديدة للتحكم في الخصائص المغناطيسية لعناصر الأرض النادرة، والتي قد تحدث ثورة في تقنية تخزين البيانات.
تم تحقيق هذا الاكتشاف بواسطة فريق من HZB وجامعة فريي برلين وغيرها من المؤسسات، الذين وجدوا أن نبضات الليزر يمكن أن تؤثر على إلكترونات 4f المسؤولة عن الخصائص المغناطيسية لهذه العناصر، علماً أن إلكترونات 4f هي الالكترونات التي تدور في المدار الرابع من نواة الذرة.
القوة المغناطيسية لعناصر الأرض النادرة
تُعرف عناصر الأرض النادرة بخصائصها المغناطيسية القوية بسبب الإلكترونات في قشرة 4f الخاصة بها، حيث تُنتج هذه الإلكترونات عزماً مغناطيسياً كبيراً يبقى مستقراً حتى عند تغير البيئة الكيميائية، ويجعل هذا الاستقرار عناصر الأرض النادرة مفيدة في مركبات وسبائك مختلفة.
حتى الآن، كان من المعتقد أن الخصائص المغناطيسية لإلكترونات 4f لا يمكن تغييرها بواسطة نبضات الليزر، ومع ذلك، أظهرت التجارب الحديثة في المصادر الحرة للإلكترونات السينية الأوروبية (EuXFEL) و FLASH خلاف ذلك.
تغيير القوة المغناطيسية للعناصر النادرة بالليزر
أظهر الباحثون أن نبضات الليزر يمكن أن تغير بشكل موقت الترتيب المكاني لإلكترونات 4f، مما يؤدي إلى تغيير خصائصها المغناطيسية.
يفتح هذا الاكتشاف، والذي نُشر في مجلة Science Advances، آفاقًا جديدة للتحكم السريع والفعال من الناحية الطاقية في المواد المغناطيسية النادرة الأرضية.
تغيير القوة المغناطيسية لعنصر التيربيوم النادر
طريقة جديدة للتحكم في الخصائص المغناطيسية لعناصر الأرض النادرة
أجرى الفريق تجاربهم باستخدام التيربيوم، وهو عنصر من عناصر الأرض النادرة، في مصادر الأشعة السينية EuXFEL و FLASH، وللتيربيوم 8 إلكترونات في مداراته 4f، ومن خلال إثارة عينات التيربيوم بنبضات ليزر فائقة القصر وتحليلها باستخدام طيف الأشعة السينية، لاحظ الباحثون تبديلاً موقتًا في التوزيع المكاني لإلكترونات 4f.
تسبب هذا التغيير في ترتيب الإلكترونات في عملية تشتت مع إلكترونات 5d، والتي لم تُؤخذ في الاعتبار من قبل، وأدى توزيع الإلكترونات 4f بفعل الليزر إلى تغيير مؤقت في خصائصها المغناطيسية.
أهمية تغيير القوة المغناطيسية للعناصر النادرة
يفتح هذا التبديل المتحكم به في إلكترونات 4f تطبيقات جديدة للمواد النادرة الأرضية، وخاصة في أجهزة تخزين البيانات، وفي الوقت الحالي، لا يتم استخدام عناصر الأرض النادرة في وسائط التخزين المغناطيسية.
تستخدم أحدث التقنيات، والمعروفة باسم التسجيل المغناطيسي المساعد بالحرارة (HAMR)، نبضات الليزر لتسخين التركيبات المغناطيسية، مما يسمح بتبديلها بواسطة مغناطيس.
ومع هذا الاكتشاف الجديد، يمكن لنبضات الليزر فائقة القصر أن تثير إلكترونات 4f في المغانط النادرة الأرضية، مما يؤدي إلى تبديل أسرع وأكثر كفاءة مقارنة بآلية التسخين في أجهزة HAMR، وقد يؤدي هذا التأثير الإلكتروني إلى تطوير تقنيات تخزين المعلومات الفعالة من حيث الطاقة والسرعة.
هذا ساعدت التطورات الأخيرة في مصادر الأشعة السينية المعتمدة على المسرعات على إجراء هذا البحث، لأنها تنتج نبضات أشعة سينية فائقة القصر، وتسمح هذه المصادر السينية للعلماء بملاحظة العمليات الأساسية في المواد المغناطيسية على مقاييس زمنية تصل إلى بضعة فيمتوثانية (جزء من مليار من الثانية).
