تقدم المغناطيسية المتغيرة مرحلة مغناطيسية ثالثة تجمع بين عدم مغنطة المغناطيسات المضادة والظواهر القوية المعتمدة على الدوران للمغناطيسات الحديدية. توفر هذه المرحلة الجديدة، التي تم اكتشافها من خلال التعاون الدولي، إمكانات كبيرة للإلكترونيات السبينية، وسد الفجوات السابقة في تطبيقات المواد المغناطيسية. الائتمان: SciTechDaily.com
تجارب على مصدر الضوء السويسري SLS يثبت وجود نوع جديد من المغناطيسية، مع آثار واسعة النطاق على التكنولوجيا والبحث.
تتمتع عائلة المغناطيس الآن بإضافة جديدة: بفضل التجارب التي أجريت على متن Swiss Light Source SLS، أثبت الباحثون وجود مغناطيس بديل. تم الإبلاغ عن اكتشاف تجريبي لهذا الفرع الجديد من المغناطيسية طبيعة ويمثل فيزياء أساسية جديدة، مع آثار كبيرة على الإلكترونيات السبينية.
المغناطيس هو أكثر من مجرد أشياء تلتصق بالثلاجة. جاء هذا الفهم منذ قرن تقريبًا مع اكتشاف المغناطيسات المضادة. ومنذ ذلك الحين، تم تقسيم عائلة المواد المغناطيسية إلى مرحلتين أساسيتين: الفرع المغناطيسي الحديدي المعروف منذ آلاف السنين والفرع المغناطيسي المضاد. تم تقديم دليل تجريبي لفرع ثالث من المغناطيسية، يسمى المغناطيسية المتغيرة، في مصدر الضوء السويسري (SLS) من خلال تعاون دولي بقيادة الأكاديمية التشيكية للعلوم بالتعاون مع معهد بول شيرير (PSI).
يتم تحديد المراحل المغناطيسية الأساسية من خلال العزوم المغناطيسية – أو دوران الإلكترون – وترتيبات عشوائية محددة للذرات التي تحمل العزوم في البلورة. المغناطيسات الحديدية هي نوع المغناطيس الذي يلتصق بالثلاجات: وهنا تدور في نفس الاتجاه، مما يعطي مغناطيسية مجهرية. في المواد المضادة للمغناطيسية، تشير الدورات في اتجاهات متناوبة، مما يؤدي إلى عدم وجود شبكة مغنطة عيانية في المواد – وبالتالي لا تلتصق بالثلاجة. على الرغم من تصنيف أنواع أخرى من المغناطيسية، مثل النفاذية المغناطيسية والمغناطيسية المسايرة، إلا أنها تصف استجابات محددة للمجالات المغناطيسية المطبقة خارجيًا بدلاً من التسلسلات المغناطيسية العشوائية في الأشياء.
اكتشاف وخصائص مغناطيس الدر
تحتوي مغناطيسات ألدر على مزيج خاص من الدورات وترتيب التماثلات البلورية. لا تحدث مغنطة صافية متناوبة كما هو الحال في المغناطيسات المضادة. ومع ذلك، بدلاً من الإلغاء ببساطة، فإن التماثلات تعطي بنية شريطية إلكترونية ذات استقطاب دوراني قوي، والذي يتقلب في الاتجاه أثناء تحركك عبر نطاقات الطاقة الخاصة بالمادة – ومن هنا جاء اسم المغناطيس المتناوب. وله العديد من الخصائص المفيدة المشابهة لخصائص المغناطيسات الحديدية، وينتج بعض الخصائص الجديدة تمامًا.
في مجلة Nature، أبلغ الباحثون عن اكتشاف نوع جديد من المغناطيسية الأساسية يسمى “المغناطيسية المتغيرة”. هنا، يقف يوراج كريمباسكي، العالم في PSI والمؤلف الأول للنشرة، في Swiss Light Source SLS، حيث تم تقديم الدليل التجريبي على المغناطيسية المتناوبة. المصدر: معهد بول شيرير / ماهر زامبيكوفيتش
الآثار المترتبة على Spintronics
يوفر هذا الشقيق المغناطيسي الثالث مزايا فريدة للمجال المزدهر لتكنولوجيا الذاكرة المغناطيسية من الجيل التالي والمعروفة باسم الإلكترونيات السبينية. تستخدم الإلكترونيات شحنة الإلكترونات فقط، بينما تستخدم الإلكترونيات السبينية حالة دوران الإلكترونات لنقل المعلومات.
على الرغم من أن الإلكترونيات السبينية وعدت بإحداث ثورة في تكنولوجيا المعلومات لبضع سنوات، إلا أنها لا تزال في مهدها. بشكل عام، يتم استخدام المغناطيسات الحديدية لمثل هذه الأجهزة لأنها توفر بعض الظواهر الفيزيائية القوية المعتمدة على الدوران المرغوب فيها للغاية. ومع ذلك، فإن المغنطة الصافية العيانية، والتي تعد مفيدة في العديد من التطبيقات، تفرض قيودًا عملية على قابلية توسيع هذه الأجهزة، لأنها تسبب تداخلًا بين البتات التي تحمل عناصر في تخزين البيانات.
في الآونة الأخيرة، تم استكشاف المغانط الحديدية المضادة للإلكترونيات السبينية لأنها تستفيد من غياب المغنطة الصافية، وبالتالي توفر قابلية التوسع القصوى وكفاءة الطاقة. ومع ذلك، فإن التأثيرات القوية المعتمدة على الدوران والمفيدة جدًا في المغناطيسات الحديدية محدودة، مما يعيق مرة أخرى قابليتها للتطبيق العملي.
أدخل المغناطيس الترددي الذي يتمتع بأفضل ما في العالمين: مغنطة صافية صفر والظواهر القوية المرغوبة المعتمدة على الدوران والتي توجد عادة في المغناطيسات الحديدية – وهي صفات تعتبر غير متوافقة بشكل أساسي.
وقال توماش يونجويرث من معهد الفيزياء التابع لأكاديمية العلوم التشيكية، والباحث الرئيسي في الدراسة: “هذا هو سحر المغناطيس المتناوب. وهو أمر كان الناس يعتقدون أنه مستحيل حتى أصبحت التنبؤات النظرية الأخيرة ممكنة بالفعل”.
التنبؤات النظرية والتحقق التجريبي
بدأت التذمر حول وجود نوع جديد من المغناطيسية منذ فترة طويلة: في عام 2019، حدد يونجفيرث، جنبًا إلى جنب مع زملائه النظريين من الأكاديمية التشيكية للعلوم وجامعة ماينز، فئة من الأجسام المغناطيسية ذات بنية دوران لا تتناسب مع ضمن التفسيرات الكلاسيكية. المغناطيسية الحديدية أو المغناطيسية المضادة.
وفي عام 2022، نشر المنظرون توقعاتهم حول وجود المغناطيس المتردد. اكتشفوا أكثر من مائتي مرشح مغناطيسي بديل يتراوح بين العوازل والمواد أشباه الموصلاتللمعادن والموصلات الفائقة. العديد من هذه المواد معروفة جيدًا وقد تم بحثها على نطاق واسع في الماضي دون ملاحظة خصائصها المغناطيسية المتناوبة. تسببت هذه التنبؤات في إثارة حماسة كبيرة في المجتمع بسبب فرص البحث والتطبيق الهائلة التي توفرها المغناطيسية المتناوبة. وكان البحث جاريا.
يتطلب الحصول على دليل تجريبي مباشر لوجود مغناطيس متغير توضيح خصائص تناظر الدوران الفريدة المتوقعة في المغناطيس المتغير. جاء الدليل باستخدام التحليل الطيفي للانبعاثات الضوئية ذات الدوران والزاوية في خطوط شعاع ADRESS الخاصة بـ SIS (محطة نهاية COPHEE) وSLS. مكنت هذه التقنية الفريق من تصور ميزة واضحة في البنية الإلكترونية للمغناطيس المتردد المشتبه به: انقسام العصابات الإلكترونية المرتبطة بحالات الدوران المختلفة، المعروفة باسم نوم كرامر من اضمحلال الدوران.
تم الاكتشاف في بلورات تيلوريت المنغنيز، وهي مادة بسيطة معروفة مكونة من عنصرين. تقليديًا، تم اعتبار المادة مغناطيسًا حديديًا مضادًا كلاسيكيًا لأن العزم المغناطيسي لذرات المنغنيز المجاورة يشير في اتجاهين متعاكسين، مما يخلق مغنطة صافية متلاشية.
“والآن بعد أن سلطنا الضوء على هذا الأمر، يستطيع العديد من الأشخاص حول العالم العمل عليه.” — توماس جونجويرث
ومع ذلك، لا ينبغي أن تظهر المغناطيسات المضادة تشويهًا معززًا لدوران كرامر من خلال المصفوفة المغناطيسية، في حين ينبغي أن تظهر المغناطيسات الحديدية أو المغناطيسات المتناوبة. عندما رأى العلماء أن اضمحلال دوران كرامر يرتفع جنبًا إلى جنب مع اختفاء صافي المغنطة، عرفوا أنهم كانوا ينظرون إلى مغناطيس متناوب.
“بسبب الدقة والحساسية العالية لقياساتنا، يمكننا اكتشاف التقسيم المتناوب المميز لمستويات الطاقة المرتبطة بحالات الدوران المعاكسة، مما يدل على أن تيلوريد المنغنيز ليس مغناطيسًا مضادًا نموذجيًا ولا مغناطيسًا حديديًا نموذجيًا، ولكنه ينتمي إلى نوع جديد من المغناطيس”. يقول جوراج كريمباسكي، عالم خط الأشعة في مجموعة Beamline Optics Group في CSI والمؤلف الأول للدراسة: “إنها فرع من المواد المغناطيسية المتناوبة”.
لقد تم الآن تفكيك خطوط الشعاع التي مكنت هذا الاختراع، في انتظار ترقية SLS 2.0. بعد عشرين عامًا من النجاح العلمي، سيتم دمج محطة COPHEE في خط شعاع “QUEST” الجديد تمامًا. يقول كريمباسكي: “لقد أجرينا هذه التجارب على آخر فوتونات الضوء في COPHEE. إنه أمر مؤثر جدًا بالنسبة لنا أن هذه التجارب قد حققت مثل هذا التقدم العلمي المهم”.
الخلاصة والاتجاهات المستقبلية
ويعتقد الباحثون أن هذا الاكتشاف الأساسي الجديد في المغناطيسية سوف يثري فهمنا لفيزياء المادة المكثفة، مع ما يترتب على ذلك من آثار في مجالات مختلفة من البحث والتكنولوجيا. وبفضل مزاياه في مجال الإلكترونيات السبينية الناشئ، فإنه يوفر أيضًا منصة واعدة لاستكشاف الموصلية الفائقة غير التقليدية من خلال رؤى جديدة حول حالات التوصيل الفائق التي يمكن أن تنشأ في مواد مغناطيسية مختلفة.
يقول جونجويرث: “إن مغناطيسية ألدر ليست في الحقيقة معقدة إلى هذا الحد. إنها شيء أساسي تمامًا، وكانت أمام أعيننا لعقود من الزمن”. إنه من بين العديد من البلورات التي احتفظ بها الناس في أدراجهم. وبهذه الطريقة، والآن بعد أن سلطنا الضوء عليها، يمكن لعدد أكبر من الأشخاص حول العالم العمل عليها، مما يمنحها القدرة على إحداث تأثير أوسع.
المرجع: “الرفع المغناطيسي البديل لاضمحلال دوران كرامر” 14 فبراير 2024، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-023-06907-7
