اصطکاک مغناطیسی، یک کسب و کار چسبناک

برهمکنش مغناطیسی اتم ها در اصطکاک لغزشی سهم دارد.

اصطکاک در همه جا حضور دارد. بدون اصطکاک ساده ترین کارها نیز امکان پذیر نمی‌باشد. اگر چنین باوری ندارید تنها کافیست سعی کنید نوشیدنی خود را بر روی سطح یخ زده یک میز در یک غار یخی قرار دهید. اگر چه اصطکاک در محیط اطراف ما در همه‌جا حضور دارد اما فیزیک‌دانان با این چالش مواجه هستند که اصطکاک را توسط نیرو‌های بنیادی فیزیک توصیف کنند. در مجله Physical Review Letter، Boris Wolter و همکارانش در دانشگاه هامبورگ آلمان در این مسیر قدم برداشتند. آن‌ها ارتباط و نقش اسپین یک تک اتم را با اصطکاکی که در حین لغزش بر روی یک سطح مغناطیسی تجربه می‌کند را مشخص کرده‌اند.

شاخه‌ای از فیزیک که در آن به اصطکاک می‌پردازند tribology نام دارد. مسئله‌ای که در مرکز علم tribology قرار دارد این است که ارتباطی بین نیروی اصطکاکی که می‌بینیم و دو ماده ای که با یک سطح تماس مشترک با هم در تماسند، برقرار کند(منظور از سطح تماس به عنوان مثال تعداد اتم‌هایی که در تماس با یکدیگرند می‌باشد) همچنین این علم به دنبال ارتباط بین اصطکاک با خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی مواد نیز می‌باشد. لازم به ذکر نیست که اندازه‌گیری این کمیت‌ها برای موادی که هر روز می‌بینیم، مشکل است. علت آن این است که این مواد دارای سطحی زبر و آلوده می‌باشند که این دو مورد تنها دو تا از عامل‌های مشکل ساز هستند.

میکروسکوپ‌های پروبی روبشی(Scanning probe microscopes)، قلم(tip)این  میکروسکوپ‌ها شامل تعداد کمی اتم می‌باشد که در عرض آن قرار دارد و این قلم می‌تواند در فاصله خیلی نزدیک یا در تماس با سطح قرار گیرد، به محققان این اجازه را می‌دهد که به یافته‌های جدیدی در tribology دست یابند و همچنین بتوانند بر روی ابعاد نانو متمرکز شوند.

با استفاده از تکنیک‌های استاندارد سطحی می‌توان به سطوحی صاف و تمیز دست یافت که اندازه این سطوح چند صد نانو متر است و این امکان را بوجود می‌آورد تا تماس‌هایی در سطح اتمی را بر قرار کرد. به طور خاص میکروسکوپ نیروی اتمی AFM(atomic force microscopy) می‌تواند به طور مستقیم نیرو‌های عمودی و جانبی را بین مواد اندازه گیری کند و به ساخت مدلی میکروسکوپی از اصطکاک کمک کند. به یک معنا تجهیزات پروبی روبشی رنسانسی در علاقه‌مندی به اصطکاک ایجاد کرده است.

پس چه چیزی عامل اصطکاک بر روی یک سطحی که به خوبی کنترل شده می‌شود؟ جواب این سوال به شدت وابسته به خصوصیات فیزیکی و شیمیایی این مواد می‌باشد. بیاییم مسئله را درکوچکترین سطح تماس ممکن بین سطوح بررسی کنیم. این دو سطح شامل یک تک اتم که بر روی سطح فلز یه صورت سطحی جذب شده و قلم بسیار ریز فلزی مربوط به وسیله پروبی روبشی که در اختیار داریم می‌باشند. این گونه تماس ها را می توان همانند AFM توسط میکروسکوپ‌های تونلی روبشیSTM(Scanning tunneling microscopes) نیز بررسی کرد. به طور مثال برای لغزش یک اتم فلزی جذب شده بر روی یک سطح صاف الکترونیکی، نیروی جانبی در محدوده چند صد پیکو نیوتون است. این در حالی است که برای نیرو‌های عمودی این مقدار در چند مقیاس بزرگی بیشتر می‌باشد.

با به‌کارگیری اشکال هندسی  پروبی روبشی و با یک ترفند هوشمندانه این امکان وجود دارد تا چگونگی نقش الکترون‌ها را در اصطکاک مشخص کرد. در واقع این نقش را می‌توان با مقایسه اصطکاک بر روی سطح یک فلز معمولی و یک ابر رسانا تعیین کرد[4]. در یک ابر رسانا الکترون‌ها به هم جفت شده‌اند، همین امر موجب می‌شود که برای جدا کردن آن‌ها از یکدیگر نیاز به صرف انرژی زیادی باشد و این به این معنا است که این الکترون‌ها برای استفاده از انرژی از دست رفته در اصطکاک حضور ندارند. محققان دریافته‌اند که اصطکاک در حالت نیم رسانا بسار کمتر از حالت یک فلز عادی است. در فلزات، هم الکترون‌ها و هم فونون‌ها با یکدیگر در ضریب اصطکاک نقش دارند.

بنابر این الکترون‌ها می توانند در اصطکاک نقش ایفا کنند. به همین دلیل این امکان جالب وجود دارد که درجه آزادی مغناطیسی همانند گشتاور مغناطیسی یک اتم می‌تواند اصطکاک را تحت تاثیر قرار دهد[5]. اما آیا برای درک این موضوع ترفندی مشابه با آن‌چه در مقایسه اصطکاک در نیمه رسانا‌ها و فلزات بکار بردیم وجود دارد؟ این همان چیزی است که Wolter و همکارانش در کار اخیرشان نشان داده‌اند[1]. آن‌ها اصطکاک مربوط به یک اتم مغناطیسی(کبالت) را بر روی یک آنتی فرو مغناطیس توسط میکروسکوپ تونلی روبشیSTM(شکل 1)  اندازه گیری کردند. در یک آنتی فرومغناطیس اسپین‌ اتم‌های مجاور در جهت مخالف هم قرار می‌گیرند. متناظراً wolter و همکارانش مشاهده کردند که هنگام لغزش یک اتم بر روی سطح یک ماده‌ی آنتی فرومغناطیس اصطکاک کوچک و بزرگ می‌شود.

شکل1- قلم یک میکروسکوپ روبشی سهم اتم مغناطیسی را در اصطکاک لغزشی اندازه گیری می‌کند. یک اتم کبالت(به رنگ آبی) بر روی لایه‌ایی از اتم‌های منگنز که بر روی سطح تنگستن(خاکستری)قرار دارند، می‌نشینند. با استفاده از فلم اسپین قطبیده STM اتم کبالت را به صورت جانبی می لغزانیم. اسپین های منگنز به صورت آنتی فرمغناطیسی مرتب شده اند(رنگ ها قرمز و سبز)، اسپین اتم کبالت تمایل دارد با نزدیکترین اتم منگنز هم جهت شود. (چپ) یک ناحیه از پیوند پایدار در ناحیه‌ای از مکان قلم پیدا می‌شودکه اتم کبالت با آخرین اتم قلم بر همکنش فرو مغناطیسی برقرار کند. (راست) و ناحیه ای که این بر همکنش مغناطیسی وجود ندارد ناحیه ای است که پایداری آن کمتر می باشد.

چند کلمه‌ای به منظور توضیح جزئیات این یافته جدید وجود دارد. Wolter و همکارانش از STM اسپین-قطبیده(spin-polarized) برای کاهش تغییرات اصطکاک بر روی سطح آنتی‌فرومغناطیس استفاده کردند. اما میکروسکوپ STM اساساً جریان کوچک تونل زنی بین قلم و سطح را اندازه گیری می کند و ذاتاً به نیرو‌ها حساس نیست. پس چطور این وسیله راهی را برای اندازه گیری اصطکاک مغناطیسی عرضه می‌کند؟

جواب این سوال این است که STM می‌تواند قدرت پیوند اتمی را به یک سطح، وقتی به نقاط مختلف حرکت می‌کند، مشخص کند. این اطلاعات را می‌توان بر حسب نیروهایی که مانع حرکت اتم‌ها بر روی سطح می‌شود بیان کرد.

وقتی که قلم STM بسیار نزدیک به اتمی که جذب سطحی شده، قرار گیرد آخرین اتم نوک این قلم به اتم سطحی نیروی جاذبه یا دافعه اعمال می‌کند(که گونه‌ایی از پیوند شیمیایی کنترل شده می‌باشد). در بسیاری مواد این نیرو می‌تواند موجب حرکت عرضی موادی که جذب سطحی شده‌اند شود(6و7و3). این نوع حرکت تاریخچه‌ایی طولانی دارد. در واقع برای اولین بار توسط نمایش Don Eigler و همکارانش شروع شد. آن‌ها توانسته بودند تا حروف IBM را بر روی یک سطح از طریق دست کاری اتمی حک کنند[6]. در این حالت ماده جذب شده متصل به یک ناحیه پیوند بر روی سطح می‌باشد و این تا زمانی است که نیروی اعمال شده از طرف قلم آن قدر زیاد شود تا آن را به ناحیه پیوندی مجاورش منتقل کند. می‌توان از مقدار نیرویی که نیاز است تا بتوان یک اتم را حرکت داد نقشه برداری کرد. این نقشه تصویری پیچیده از نواحی پیوند بر روی سطح می‌دهد[8].

Wolter و همکارانش این تکنیک را برای حرکت اتم‌های کبالت بر روی یک تک لایه از منگنز آنتی فرم مغناطیس که بر روی لایه ای از تنگستن قرار دارد(شکل 1)، اعمال کردند. کبالت به صورت فرو مغناطیسی با نزدیکترین اتم‌های منگنز پیوند برقرار می‌کند[9]. اگر آن‌ها از قلم فلزی عادی برای کشیدن کبالت در طول سطح منگنز استفاده کنند به یک تصویر دست کاری شده دست پیدا می‌کنند که با آن چیزی که پیش از این گزارش شده مشابه است[8]. اما اگر از یک قلم اسپین-قطبیده استفاده کنند که به صورت برهمکنش مغناطیسی ضعیف به اتم کبالت جفت می شود، تصویر دست‌کاری شده، طبیعت مغناطیسی لایه منگنز را آشکار می‌کند. نیمی از نواحی پیوند به صورت ضعیف جفت می‌شوند و نیمی دیگر به صورت قوی و این نشان دهنده درجات متغیر پایداری کبالت سطحی در این نواحی پیوند می‌باشد.

برای تبدیل این تصویر به نیرو و به‌دست آوردن اطلاعات مربوط به اصطکاک مغناطیسی، wolter و همکارانش می‌بایست نیروهای بین همه اتم‌های موجود و تعداد اندکی از پارامتر‌هایی که برهمکنش مغناطیسی بین اتم‌ها را مشخص می کنند را مدل سازی می‌کردند. با این مدل، آن‌ها به دور نمایی از انرژی موضعی اتم کبالت دست یافتند. این انرژی به برهمکنش‌های مغناطیسی و شیمیایی وابسته است. همزمان با حرکت عرضی قلم، اسپین اتم کبالت مطابق اسپین اتم منگنز دستکاری می‌شود. این باعث می‌شود که در برخی از نواحی پیوند جفت شدگی مغناطیسی با قلم بر قرار نشود.(این به این علت است که اسپین کبالت بی اثر می‌شود) و این نواحی به نواحی کم اهمیت از لحاظ پیوند تبدیل شود. نویسندگان این مقاله دریافتند که نیروی جانبی‌ایی در حد پیکو نیوتون  برای حرکت عرضی از ناحیه‌ای به ناحیه دیگر  نیاز می‌باشد. این مقدار بسته به عواملی می‌تواند متفاوت باشد که به همسویی مغناطیسی کبالت و اتم‌های مغناطیسی که در زیر آن قرار دارند بستگی دارد. با استفاده از این دانش برای نیرو‌های جانبی، نویسندگان انرژی از دست رفته مربوط به هر ناحیه پیوند را هنگام حرکت اتم کبالت بر روی سطح تعیین می‌کنند.(اتم مغناطیس باید در هر جهش اسپینش را تغییر دهد که باعث از دست دادن انرژی می‌شود).

انرژی برهمکنش‌های مغناطیسی از انرژی شیمیایی کمتر است. این در صورتی است که wolter و همکارانش نشان دادند که این موضوع برای اصطکاک جانبی بین مواد مغناطیسی برقرار نمی‌باشد. کارهای آن‌ها ترفندی جدید به داشته‌های tribologist ها اضافه کرد .ترفندی که این اجازه را می‌دهد تا پارامتر‌های اصطکاک نانو تماس‌های مغناطیسی و غیر مغناطیسی را مقایسه کرد. در یک مسیر طولانی محققان می‌بایست این اندازه‌گیری‌ها را میزان کنند. اندازه گیری‌هایی که انرژی از دست رفته مربوط به هر اتم را می‌دهد. همچنین این موضوع را بفهمند که آیا  به پارامتر های مشابه برای اصطکاک(همان پارامترهایی که برای مواد میکروسکوپی استفاده می‌شود)می‌رسند.

psi.ir