Axionic tunneling from a topological Kondo insulator

على مدى عقود، ظل علماء الفيزياء مفتونين بفكرة غريبة: وهي أن الفراغ الموجود بين النجوم، والمعروف بالفراغ، قد لا يكون فارغاً حقاً، بل مليئاً بمجالات غير مرئية تملي على الجسيمات كيفية التصرف. وفي عالم المواد الصلبة، اكتشف العلماء أن بعض البلورات يمكنها محاكاة هذه الخصائص الغريبة للفراغ، مما يخلق حدوداً جديدة يبدو فيها أن قواعد ميكانيكا الكم والنسبية تندمج معاً. ومن بين هذه المواد، تبرز فئة تُعرف باسم العوازل الطوبولوجية؛ وهي مواد تعمل كعوازل كهربائية في داخلها، لكنها توصل الكهرباء بسلاسة عبر أسطحها. ومن الأعضاء المثيرين للاهتمام بشكل خاص في هذه العائلة هو الساماريوم هيكسابوريد، وهي مادة حيرت الباحثين لفترة طويلة لأن سطحها يوصل الكهرباء بطريقة تشير إلى وجود صلة عميقة وخفية بين القوى الكهربائية والمغناطيسية.

يكمن اللغز المركزي في مفهوم نظري يُسمى "الأكسيون". في مجال فيزياء الطاقة العالية، تعتبر الأكسيونات جسيمات افتراضية يمكن أن تفسر سبب سلوك الكون بالطريقة التي هو عليها. وفي المواد الصلبة، يتنبأ تأثير "شبيه بالأكسيون" بأنه إذا طبقت مجالاً كهربائياً على سطح عازل طوبولوجي، فإنه سيولد استجابة مغناطيسية، والعكس صحيح. هذا الربط العميق بين الكهرباء والمغناطيسية يتجاوز السلوك المعتاد للمغانط. ومع ذلك، كان اكتشاف هذا التأثير صعباً للغاية لأنه دقيق وسهل الحجب بواسطة إشارات مغناطيسية أخرى أكثر شيوعاً. وظل السؤال قائماً: هل يمكن ملاحظة هذا السلوك الشبيه بالأكسيون المراوغ في تجربة حقيقية وملموسة؟

لقد قدم فريق من الباحثين الآن دليلاً مقنعاً على هذه الظاهرة باستخدام تقنية تُسمى مجهر المسح النفقي. فبدلاً من النظر إلى المادة من مسافة بعيدة، استخدموا إبرة حادة للغاية، برأس مصنوع من سلك دقيق من الساماريوم هيكسابوريد، لسبر سطح بلورة مغناطيسية من التيلوريد الحديدي. كان الهدف هو رؤية كيفية تفاعل رأس الإبرة عند تطبيق جهد كهربائي صغير عليه. في تجربة مغناطيسية قياسية، قد يتوقع المرء أن تظل الخصائص المغناطيسية للرأس ثابتة بغض النظر عما إذا كان الجهد موجباً أو سالباً. ومع ذلك، لاحظ الباحثون شيئاً غير عادي تماماً؛ فعندما عكسوا اتجاه الجهد، انقلبت البصمة المغناطيسية للإبرة. فقد أدى ميلي فولت واحد من الجهد الموجب إلى إنشاء توجه مغناطيسي محدد، بينما أدى نفس المقدار من الجهد السالب إلى إنشاء التوجه المعاكس تماماً.

هذا المغناطيسية المستحثة بالجهد هي الاكتشاف الرئيسي. فقد قاس الباحثون أن جهداً ضئيلاً، يبلغ حوالي 30 ميلي فولت، كان كافياً لتوليد عزم مغناطيسي قابل للقياس عند طرف السلك، ما يعادل حوالي 0.1 من القوة المغناطيسية لإلكترون واحد. والأهم من ذلك، أن هذا التأثير المغناطيسي لم يكن ثابتاً؛ بل كان يتم التحكم فيه مباشرة بواسطة المجال الكهربائي. وقد استبعد الفريق احتمال أن يكون هذا مجرد نتيجة لالتقاط الرأس لذرات مغناطيسية شاردة من السطح أو تغيراً قياسياً في البنية الإلكترونية للمادة. وقد أكدوا ذلك بمقارنة نتائجهم مع رأس مغناطيسي تقليدي مصنوع من الكروم، والذي لم يظهر هذا السلوك الانقلابي. كما أن تلاشي هذا التأثير عندما ارتفعت درجة الحرارة فوق 10 كلفن تقريباً، عزز فكرة أنه خاصية فريدة لرأس الساماريوم هيكسابوريد نفسه، وليس سمة من سمات السطح المغناطيسي الذي يتم فحصه.

يكمن التفسير لهذا السلوك في الطوبولوجيا الفريدة للساماريوم هيكسابوريد. يقترح الباحثون أن المجال الكهربائي الناتج عن الجهد يخلق نوعاً معيناً من التفاعل عند سطح الرأس، وهو ما تتنبأ به نظرية الأكسيون. في هذا السيناريو، يستحث المجال الكهربائي استقطاباً مغناطيسياً يكون "فردياً" تحت انعكاس الزمن، مما يعني أنه يتصرف بشكل مختلف عند قلب اتجاه الزمن أو اتجاه المجال. وهذا يختلف عن الخصائص المغناطيسية المعتادة للمواد. وتشير الدراسة إلى أن سطح الساماريوم هيكسابوريد يعمل كحدود تتغير عندها قواعد المادة، مما يسمح بحدوث هذا التحول من الكهرباء إلى المغناطيسية. إن التأثير حساس للغاية لدرجة أنه يمكن تشغيله وإطفاؤه بضغطة مفتاح جهد، وهو مستوى من التحكم كان يُعتقد سابقاً أنه صعب المنال في مثل هذه الأنظمة.

وبينما يلاحظ الباحثون بحذر أن هذا هو تفسير لبياناتهم وليس دليلاً نهائياً على وجود جسيمات الأكسيون، إلا أن الأدلة تشير بقوة نحو استجابة مغناطيسية-كهربائية شبيهة بالأكسيون. يوضح العمل أن سطح العازل الطوبولوجي يمكنه بالفعل توليد مجال مغناطيسي استجابة لمجال كهربائي، وهي ظاهرة كانت متوقعة ولكن لم يتم رصدها بوضوح قط في هذا السياست المحدد. يفتح هذا الاكتشاف نافذة جديدة لفهم كيف يمكن للمواد الكمومية أن تحاكي القوى الأساسية للكون. ويشير إلى أنه بمجرد ضبط الجهد في وصلة إلكترونية صغيرة، يمكن للعلماء التحكم في الدوران (السبين) والخصائص المغناطيسية بطرق قد تؤدي في النهاية إلى أنواع جديدة من الأجهزة الإلكترونية. إن القدرة على التحكم في المغناطيسية بمثل هذه الإشارات الكهربائية الصغيرة توفر مساراً جديداً لاستكشاف الروابط العميقة بين الكهرباء والمغناطيسية وطوبولوجيا المادة.