Exploring Magnetism of Lead-free Halide Double Perovskites: A High-Throughput First-Principles Study

على مدى عقود، ظل العلماء يبحثون عن جيل جديد من المواد التي يمكنها تشغيل أجهزة كمبيوتر أسرع وأجهزة طاقة أكثر كفاءة. وقد كان التركيز الرئيسي في هذا البحث على عائلة من البلورات تُعرف باسم "البيروفسكايت"، وهي مشهورة بقدرتها على توصيل الكهرباء والضوء. ومع ذلك، فإن النسخ الأكثر فعالية من هذه البلورات تحتوي على الرصاص، وهو معدن سام يجعل تصنيعها والتخلص منها أمراً خطيراً. ولحل هذه المشكلة، توجه الباحثون نحو بدائل "خالية من الرصاص"، وتحديداً مجموعة معقدة تسمى "البيروفسكايت المزدوجة". تُبنى هذه المواد من ترتيب محدد للذرات حيث يحيط بذرة مركزية كبيرة قفص من الأيونات الأصغر حجماً. ويكمن المفتاح لجعل هذه البلورات مفيدة للإلكترونيات الحديثة في مغناطيسيتها؛ فإذا تمكن العلماء من إيجال طريقة لجعل هذه البيروفسكايت الخالية من الرصاص مغناطيسية، فيمكن استخدامها في تقنية "السبينترونيكس" (الإلكترونيات الدورانية)، وهي تقنية تستخدم دوران الإلكترونات بدلاً من شحنتها لتخزين المعلومات ومعالجتها. والتحدي يكمن في أنه بينما تتميز هذه المواد بالاستقرار وعدم السمية، إلا أنها نادراً ما تظهر سلوكاً مغناطيسياً قوياً، وعندما تفعل، فإن ذلك غالباً ما يتلاشى عند درجات حرارة منخفضة جداً.

في دراسة جديدة شاملة، سعى الباحثون لرسم خريطة للإمكانات المغناطيسية لبلورات "الهاليد بيروفسكايت المزدوجة" الخالية من الرصاص. وبدلاً من اختبار عينات قليلة في المختبر، استخدموا محاكاة حاسوبية قوية لفحص الآلاف من التوليفات الكيميائية المحتملة. وركزوا على بلورات مكونة من السيزيوم والكلور وعناصر أخرى متنوعة، باحثين تحديداً عن الحالات التي توضع فيها ذرات مغناطيسية في بنية البلورة. وحسب الفريق كيف ستتفاعل الدورات المغناطيسية لهذه الذرات مع بعضها البعض، وتنبأوا بدرجة الحرارة التي ستفقد عندها المادة نظامها المغناطيسي. وكشفت عمليات المحاكاة التي أجروها عن قاعدة عامة: معظم هذه المواد هي بطبيعتها "مضادة للفيرومغناطيسية" (antiferromagnetic)، مما يعني أن مجالاتها المغناطيسية الداخلية تلغي بعضها البعض، وهي تظهر خصائص مغناطيسية فقط عند درجات حرارة أقل بكثير من درجة التجمد، وغالباً ما تكون أقل من 50 كلفن. وقد أكد هذا أن مجرد استبدال الرصاص ليس كافياً لإنشاء مادة مغناطيسية مفيدة؛ إذ إن الترتيب المحدد للذرات يهم بقدر أهمية العناصر نفسها.

وعلى الرغم من هذا الاتجاه العام نحو المغناطيسية الضعيفة أو الملغاة، فقد كشفت الدراسة عن عدد قليل من المرشحين الاستثنائيين الذين يكسرون القواعد. فقد حدد الباحثون ثلاث مركبات محددة — كلوريد السيزيوم والفضة والنيكل، وكلوريد السيزيوم والذهب والنيكل، وكلوريد السيزيوم والزئبق والكروم — والتي يُتوقع أن تكون "فيرومغناطيسية" (ferromagnetic)، مما يعني أن مجالاتها المغناطيسية تصطف في نفس الاتجاه. والأهم من ذلك، أنه من المتوقع أن تظل هذه المواد مغناطيسية في درجات حرارة أعلى بكثير من أقرانها. فمن المتوقع أن يظل مركب كلوريد السيزيوم والزئبق والكروم مغناطيسياً حتى حوالي 430 كلفن، بينما يُتوقع أن يحافظ المركبان الآخران على حالتهما المغناطيسية حتى حوالي 190 و240 كلفن على التوالي. والأكثر إثارة للدهشة هو أن اثنين من هؤلاء المرشحين، وهما اللذان يحتويان على الذهب والفضة، يُتوقع أن يكونا "نصف معدنيين" (half-metallic). وهذه حالة نادرة تعمل فيها المادة كمعادن بالنسبة للإلكترونات التي تدور في اتجاه واحد، وكعازل بالنسبة للإلكترونات التي تدور في الاتجاه المعاكس، مما يخلق تياراً مستقطباً بشكل مثالي.

كما بحث الباحثون في سبب عمل هذه التركيبات المحددة بشكل جيد بينما تفشل غيرها. ووجدوا أن قوة الاتصال المغناطيسي تعتمد بشكل كبير على الذرات التي تعمل كجسور بين المراكز المغناطيسية. ففي المرشحين الناجحين، تسمح الروابط الكيميائية باتصال أقوى يقاوم "الارتجاج الحراري" الذي يدمر المغناطيسية عادةً. وفي المقابل، تعاني المواد الأقل نجاحاً من مسافات طويلة بين الذرات المغناطيسية وجسور كيميائية ضعيفة، مما يؤدي إلى انهيار نظامها المغناطيسي بسرعة مع ارتفاع درجة الحرارة. كما لاحظت الدراسة أن العديد من المرشحين الواعدين يخضعون لتغير طفيف في شكلهم، حيث يتحولون من مكعب مثالي إلى مستطيل ممدود، مما يساعد في استقرار حالتهم المغناطيسية. وهذا التحول الهيكلي هو استجابة طبيعية للذرات لبيئتها الإلكترونية، وليس عيباً.

ورغم أن هذه النتائج تعتمد حالياً على النماذج الحاسوبية ولم يتم التحقق منها بعد في مختبر فيزيائي، إلا أنها توفر خارطة طريق واضحة للتجارب المستقبلية. وتشير الدراسة إلى أنه من خلال الاختيار الدقيق للعناصر التي يتم خلطها، يمكن للعلماء تصميم مواد خالية من الرصاص ليست آمنة فحسب، بل قادرة أيضاً على العمل كمكونات مغناطيسية في الأجهزة الإلكترونية. إن اكتشاف هؤلاء المرشحين ذوي الحالة "نصف المعدنية" ودرجات الحرارة العالية يوفر مساراً واعداً لتقنية "السبينترونيكس"، مما قد يؤدي إلى تقنيات حوسبة أسرع وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة. وفي الوقت الحالي، يعمل هذا العمل كدليل حيوي، يوضح بالضبط أي الوصفات الكيميائية تستحق الاختبار في العالم الحقيقي لإطلاق العنان للإمكانات المغناطيسية للجيل القادم من المواد.