Prediction of Magnetic Topological Materials Combining Spin and Magnetic Space Groups

نادرًا ما تكون المادة مجرد مجموعة من الذرات الساكنة؛ فغالبًا ما تصطف العزوم المغناطيسية الدقيقة لإلكترونات المادة في أنماط محددة، مما يحول المادة إلى مغناطيس. وعندما تتحد هذه الأنماط المغناطيسية مع الطريقة التي تتحرك بها الإلكترونات عبر الشبكة البلورية، يمكن أن تحدث أشياء غريبة ومفيدة. قد تتدفق الإلكترونات دون مقاومة، أو قد تحمل نوعًا معينًا من الالتواء يجعلها محصنة ضد الشوائب. يطلق العلماء على هذه المواد اسم المواد "التوبولوجية"، وهي تمثل الكأس المقدسة للجيل القادم من الإلكترونيات لأنها قد تؤدي إلى حواسيب ومستشعرات أسرع وأكثر كفاءة. لعقود من الزمن، استخدم الباحثون مجموعة من القواعد القائمة على تناظر شكل البلورة للتنبؤ بالمواد التي ستتصرف بهذا الشكل. ومع ذلك، كانت هذه القواعد تعمل بشكل أفضل مع المواد غير المغناطيسية، أو المغناطيسات التي يكون فيها الترتيب المغناطيسي بسيطًا ومفهومًا جيدًا. وعندما يصبح الترتيب المغناطيسي معقدًا، أو عندما يصبح التفاعل بين دوران الإلكترون وحركته جوهريًا، فإن القواعد القديمة غالبًا ما تفشل، مما يترك العلماء غير قادرين على التنبؤ ما إذا كانت المادة ستكون أعجوبة توبولوجية أم مجرد عازل عادي.

لقد نجح فريق من الباحثين في جامعة نانجينغ الآن في سد هذه الفجوة من خلال تطوير طريقة جديدة للتنبؤ بسلوك المواد المغناطيسية بدقة أكبر بكثير. فقد أدركوا أنه لفهم هذه المواد، يجب النظر إليها من خلال عدستين مختلفتين في آن واحد. العدسة الأولى تتجاهل التفاعل الدقيق بين دوران الإلكترون وحركته، وتتعامل مع الترتيب المغناطيسي كتماثل مثالي ومثالي. والعدسة الثانية تتضمن هذا التفاعل، الذي يشوه التماثل قليلاً ويغير خصائص المادة. ومن خلال ربط هذين المنظورين، أنشأ الباحثون خريطة شاملة يمكنها تشخيص الطبيعة التوبولوجية لأي مادة مغناطيسية تقريبًا، حتى عندما يكون الترتيب المغناطيسي معقدًا. لا يشرح عملهم سبب تصرف بعض المواد بالطريقة التي تتصرف بها فحسب، بل يتنبأ أيضًا بوجود مواد توبولوجية مغناطيسية جديدة وغير معروفة سابقًا.

يكمن جوهر هذا النهج الجديد في كيفية تعامل الباحثين مع الانتقال من مادة ليس لها ترتيب مغناطيسي إلى مادة ذات نمط مغناطيسي محدد. في حالة غياب التفاعلات المغناطيسية، يوصف تناظر المادة بمجموعة قياسية من القواعد. وعندما تصبح المادة مغناطيسية، يتغير التماثل. لقد قدم الباحثون إطارًا جديدًا يعامل الحالة المغناطيسية كخطوة في تسلسل هرمي. أولاً، ينظرون إلى تناظر المادة عندما يتم إيقاف تشغيل التفاعل الدقيق بين دوران الإلكترون وحركته. في هذه الحالة، تنتمي المادة إلى عائلة واسعة من مجموعات التناظر التي تصف كيفية ترتيب الدورات المغناطيسية. بعد ذلك، يعيدون التفاعل للعمل. هذا الإجراء يخفض التماثل أكثر، مما يضيق الاحتمالات لتصل إلى مجموعة محددة وأكثر تقييدًا. قام الباحثون بحساب الروابط الرياضية بين هاتين الحالتين لكل ترتيب مغناطيسي ممكن. سمح لهم ذلك برؤية كيف تتطور النطاقات الإلكترونية - وهي مستويات الطاقة التي يمكن للإلكترونات احتلالها - مع انتقال المادة من الحالة المثالية إلى الحالة الفيزيائية الحقيقية.

باستخدام هذا الإطار الجديد، أجرى الفريق مسحًا هائلاً للمواد المغناطيسية المعروفة. لقد فحصوا 488 مادة تم تحديد هياكلها المغناطيسية بالفعل من خلال التجارب. وفي 26 حالة من هذه الحالات، كانت الطرق القياسية، التي تنظر فقط إلى التناظر الحقيقي في العالم الواقعي، ستصنف المادة على أنها عادية وتوبولوجية تافهة. ومع ذلك، فإن الطريقة الجديدة، التي تأخذ في الاعتبار تناظرها المثالي الأساسي، كشفت أن هذه المواد الـ 26 تمتلك في الواقع طبيعة توبولوجية خفية. في هذه المواد، تكون السمات التوبولوجية محمية بواسطة التناظر المثالي ولا تصبح مشوهة قليلاً فحسب، بدلاً من أن تُدمر تمامًا عند تضمين التفاعلات الواقعية. أحد الأمثلة المحددة هو مادة تسمى FePSe3. تحت التحليل القياسي، تبدو كمغناطيس بسيط. لكن الطريقة الجديدة تظهر أنها تحتوي على خطوط خاصة من الإلكترونات التي يجب أن توجد على سطحها، وهي ميزة يغفل عنها التحليل القياسي. هذه الحالات السطحية قوية ويمكن أن تكون مفيدة للأجهزة الإلكترونية، على الرغم من أن المادة ليست عازلاً توبولوجيًا مثاليًا بالمعنى التقليدي.

لم يتوقف الباحثون عند تحليل المواد المعروفة؛ بل استخدموا أيضًا طريقتهم للتنبؤ بمواد جديدة. بدأوا بـ 1,483 مركبًا كيميائيًا معروفًا بوجودها ولكن لم يتم تأكيد كونها مغناطيسية بعد. ومن خلال محاكاة تكوين الترتيب المغناطيسي في هذه المركبات وتطبيق قواعد التناظر الجديدة الخاصة بهم، تنبأوا بالهياكل المغناطيسية للحالة الأرضية لـ 224 منها. ومن هذه المجموعة، حددوا 24 مادة متميزة من المحتمل أن تكون مواد توبولوجية مغناطيسية. تتضمن هذه القائمة ثلاث مواد تم تأكيدها بالفعل من خلال تجارب أخرى، وهي: Co3Sn2S2 و MnBi2Te4 و Fe3Sn2. إن حقيقة أن طريقتهم حددت هذه المواد المعروفة بشكل صحيح تعد بمثابة تحقق قوي من نهجهم. والأهم من ذلك، منحهم هذا الثقة في التنبؤات الـ 21 الجديدة، والتي تشمل مواد مثل LiCoO2 و GaNi3. بالنسبة لهذه المرشحات الجديدة، قام الباحثون بحساب اتجاه الدورات المغناطيسية والهيكل الإلكتروني الناتج، ووجدوا أنها يجب أن تستضيف حالات غريبة مثل معادن "وايل" شبه المعدنية (Weyl semimetals)، حيث تتصرف الإلكترونات كما لو لم يكن لها كتلة، أو عوازل "الأكسيون" (axion insulators)، التي لها استجابات كهربائية فريدة.

تكمن قوة هذا العمل في قدرته على رؤية ما كان غير مرئي سابقًا. لسنوات، اعتمد العلماء على مجموعة واحدة من قواعد التناظر لتصنيف المواد المغناطيسية. وإذا كان تناظر المادة منخفضًا جدًا أو معقدًا للغاية، فغالبًا ما يتم استبعادها باعتبارها غير مثيرة للاهتمام توبولوجيًا. يدرك هذا النهج الجديد أن التناظر "المثالي" للترتيب المغناطيسي، حتى لو تم كسره قليلاً بفعل التأثيرات الواقعية، لا يزال يترك بصمة على البنية الإلكترونية للمادة. الأمر يشبه النظر إلى منحوتة من خلال نافذة ضبابية قليلاً؛ قد يرى النهج القديم فقط شكلًا ضبابيًا ويفترض أنه كتلة بسيطة، بينما يفهم النهج الجديد الشكل الأساسي للمنحوتة ويعرف ماهيتها بالضبط، حتى من خلال الضباب. ومن خلال الجمع بين المنظور المثالي والمنظور الواقعي، وسع الباحثون المعجم المعروف للمواد التوبولوجية المغناطيسية بشكل كبير.

توفر الدراسة مسارًا واضحًا للمتخصصين في التجارب. فبدلاً من التخمين بشأن المواد التي قد تكون مفيدة، يمكن للباحثين الآن استخدام مخطط التصنيف الجديد هذا لفحص قواعد بيانات المركبات المعروفة وتحديد المرشحين الأكثر واعدة للتصنيع. لقد جعل الفريق بياناتهم الحاسوبية وأدواتهم البرمجية متاحة للمجتمع العلمي، مما يسمح للآخرين بتطبيق هذه القواعد على أي مادة مغناطيسية يواجهونها. وهذا يفتح الباب لاكتشاف جيل جديد من المواد التي يمكن أن تحدث ثورة في مجال "السبينترونيكس" (spintronics)، وهو مجال الإلكترونيات الذي يستخدم دوران الإلكترون بدلاً من الشحنة فقط. ومن خلال فهم كيف يحدد الترتيب المغناطيسي تدفق الإلكترونات، يمكن للعلماء الآن تصميم مواد ذات خصائص محددة ومرغوبة، والانتقال من الاكتشاف العرضي إلى الهندسة المتعمدة. يؤكد هذا العمل أن التفاعل بين المغناطيسية والتوبولوجيا أغنى مما كان يُعتقد سابقًا، وأنه من خلال النظر إلى المشكلة من خلال العدسة الصحيحة، يمكننا العثور على كنوز خفية في الجدول الدوري.