Uniaxial strain tuned magnetism of the altermagnet candidate h-FeS

غالبًا ما يُنظر إلى المغناطيسية بطريقتين: الجذب المألوف لمغناطيس الثلاجة، حيث تشير جميع المغناطيسات الذرية الصغيرة في نفس الاتجاه، والتوازن غير المرئي للمواد ذات المغناطيسية المضادة (antiferromagnets)، حيث تشير الجيران في اتجاهات متعاكسة لإلغاء بعضها البعض تمامًا. لعقود من الزمن، كانت هاتان هما الفئتان الوحيدتان اللتان عرفهما العلماء. ولكن مؤخرًا، ظهر نوع ثالث من الظلال، يُسمى "المغناطيس البديل" (altermagnet). تبدو هذه المواد مثل المواد ذات المغناطيسية المضادة لأنها لا تملك قوة جذب مغناطيسية إجمالية، ومع ذلك فهي تتصرف كمغناطيسات عندما يتدفق التيار الكهربائي من خلالها. هذا الازدواج الغريب يجعلها موضوعًا ساخنًا للإلكترونيات المستقبلية، مما يوفر وسيلة لنقل المعلومات دون فقدان الطاقة أو التداخل المغناطيسي الذي يعيب الأجهزة الحالية. ويتمثل التحدي الذي يواجه الباحثين في إيجاد مواد يسهل التحكم فيها، لمعرفة ما إذا كان بإمكاننا تشغيل خصائصها المغناطيسية وإيقافها باستخدام أدوات بسيطة مثل الضغط أو الإجهاد، بدلاً من المجالات المغناطيسية المعقدة.

لقد وجد فريق من العلماء في جامعة رايس ومختبر أوك ريدج الوطني الآن طريقة للقيم بضبط ذلك بالضبط باستخدام مادة محددة: كبريتيد الحديد السداسي. هذا المركب، وهو شكل من أشكال الحديد والكبريت يبدو مثل طبقات خلايا النحل، تم تحديده مؤخرًا كمرشح لهذه الحالة المغناطيسية الجديدة. اكتشف الباحثون أنه من خلال ضغط المادة من الجوانب، يمكنهم فعليًا إيقاف تشغيل أكثر ميزاتها المغناطيسية إثارة للاهتمام. تنتج المادة بشكل طبيعي جهدًا كهربائيًا تلقائيًا ضئيلًا عندما يتدفق التيار من خلالها، وهي ظاهرة تُعرف باسم تأثير هول الشاذ (anomalous Hall effect)، وهو علامة رئيسية على المغناطيسية البديلة. كما أنها تمتلك قوة جذب مغناطيسية صافية ضئيلة، وهي بقايا ناتجة عن ميل طفيف في مغناطيساتها الذرية الداخلية. وعندما طبق الفريق قوة ضغط على البلورة، اختفى كلا التأثيرين.

لفهم كيفية عمل ذلك، يجب النظر داخل البلورة. تقع ذرات الحديد في كبريتيد الحديد السداسي في ترتيب مثلثي، محاطة بذرات الكبريت. في حالتها الطبيعية، تقع مغزليات (spins) الحديد المغناطيسية في الغالب بشكل مسطح داخل الطبقات ولكنها تميل قليلاً للأعلى أو للأسفل. هذا الميل الطفيف هو ما يخلق المغناطيسية الصافية الضئيلة ويسمح بظهور الجهد التلقائي. طبق الباحثون إجهادًا أحادي المحور، وهو ضغط متحكم فيه، على طول اتجاه محدد داخل المستوى المسطح للبلورة. ووجدوا أن هذا الضغط لم يكسر البلورة أو يغير الطريقة الأساسية لترتيب الذرات. بدلاً من ذلك، عمل كدفعة خفيفة غيرت تعداد النطاقات المغناطيسية. في المادة غير المجهدة، وُجدت ثلاثة توجهات مغناطيسية مختلفة بأعداد متساوية، مثل ثلاث فرق متساوية الحجم. وعند تطبيق الضغط، تم قمع الفريق المتوافق مع اتجاه الضغط، مما ترك الفريقين الآخرين يهيمنان.

كان لهذا التحول في توازن الفرق المغناطيسية تأثير عميق. ولأن قدرة المادة على توليد ذلك الجهد التلقائي والمغناطيسية الصافية الضئيلة تعتمد على التوازن الدقيق لهذه التوجهات، فإن تغيير التوازن أدى إلى القضاء على كلا التأثيرين. أكد العلماء ذلك باستخدام حيود النيوترونات، وهي تقنية تطلق النيوترونات على البلورة لرسم خريطة للهيكل المغناطيسي، ومن خلال قياس استجابة المادة للمجالات المغناطيسية. لاحظوا أن الجهد التلقائي والجذب المغناطيسي انخضا معًا مع زيادة الإجهاد. والأهم من ذلك، أنهم استبعدوا فكرة أن الضغط يغير ببساطة البنية الإلكترونية للمادة بطريقة تؤثر على جميع الخصائص بالتساوي؛ فقد ظلت النطاقات الإلكترونية كما هي إلى حد كبير، وكان تحديدًا الميل المغناطيسي هو الذي يتم قمعه.

يكشف هذا البحث أن الميل المغناطيسي الضئيل والجهد التلقائي مرتبطان بعمق في هذه المادة. ينجم الميل عن تفاعل معقد بين شكل البلورة ولف المغزلي للإلكترونات، وهي علاقة تُعرف باسم اقتران المدار واللف (spin-orbit coupling). عندما ضغط الباحثون البلورة، قاموا بتغيير البيئة المحلية لذرات الحديد بما يكفي لتقليل هذا الميل. الأمر يشبه ضبط شد وتر الجيتار؛ حيث تتغير النغمة دون أن ينقطع الوتر. قدر الباحثون أن القوة التي طبقوها بلغت حوالي 100 ميجاباسكال، وهو ضغط يعادل وزن سيارة صغيرة تستقر على بوصة مربعة من السطح. كان هذا الضغط المتواضع نسبيًا كافيًا لرفع حاجز الطاقة الذي أبقى النطاقات المغناطيسية في حالتها الأصلية، مما سمح للمادة بالاستقرار في تكوين جديد حيث يختفي الميل المغناطيسي.

هذا الاكتشاف مهم لأنه يثبت أن المغناطيسية البديلة ليست حالة صلبة وغير قابلة للتغيير، بل هي حالة قابلة للضبط. إن القدرة على تشغيل الخصائص المغناطيسية للمادة باستخدام الإجهاد الميكانيكي توفر مسارًا جديدًا لتصميم أجهزة السبنترونيك (spintronic)، والتي تستخدم لف الإلكترون بدلاً من الشحنة لمعالجة المعلومات. وأشار الباحثون إلى أنه على الرغم من صغر التأثير، إلا أنه قوي وقابل للتكرار عبر عينات مختلفة. كما قارنوا نتائجهم بمواد مغناطيسية أخرى معروفة، ووجدوا أن كبريتيد الحديد السداسي يستجيب للإجهاد بطريقة تختلف عن بعض المرشحين الآخرين، ومع ذلك يشترك في نفس الحساسية الأساسية. يوفر العمل إثباتًا تجريبيًا واضحًا على أن النظام المغناطيسي في هذه المواد يمكن التلاعب به دون تدمير البلورة، مما يفتح الباب لأجهزة يمكن التحكم فيها عن طريق التشوه الفيزيائي.

نظر الفريق أيضًا فيما يحدث عند تسخين المادة. ووجدوا أنه مع ارتفاع درجة الحرارة، يتناقص الميل المغناطيسي طبيعيًا، ويتلاشى الجهد التلقائي، مما يحاكي تأثير الإجهاد الميكانيكي. يشير هذا التوازي إلى أن الفيزياء الأساسية التي تحكم الميل هي نفسها سواء تمت إزالته بالحرارة أو بالضغط. ومن خلال الجمع بين قياسات النقل الكهربائي، والاستجابة المغناطيسية، وتشتت النيوترونات، بنى الباحثون صورة كاملة لكيفية سلوك المادة. لقد أظهروا أن الجهد التلقائي ليس ميزة مستقلة، بل هو مرتبط مباشرة بالمغناطيسية الصافية الصغيرة. وهذا يعني أنه إذا تمكنت من التحكم في أحدهما، يمكنك التحكم في الآخر.

في النهاية، تقدم الورقة عرضًا واضحًا للتحكم في حالة جديدة من المادة. لم يكتشف الباحثون عنصرًا جديدًا أو قوة جديدة؛ بل وجدوا ببساطة طريقة لتدوير مقبض في مادة موجودة بالفعل. من خلال تطبيق ضغط دقيق، استطاعوا قمع الميل المغناطيسي، وإزالة الجهد التلقائي، وتغيير توازن النطاقات المغناطيسية. هذا المستوى من التحكم هو بالضبط ما هو مطلوب لنقل المغناطيسات البديلة من مجال الفضول النظري إلى التطبيق العملي. تؤكد الدراسة أن كبريتيد الحديد السداسي مرشح قابل للتطبيق للتقنيات المستقبلية وتوفر مخططًا لكيفية التلاعب بخصائصه. ويقف هذا العمل كشهادة على قوة القوى الميكانيكية البسيطة في الكشف عن السلوكيات الكمومية المعقدة المختبئة داخل البلورات العادية والتحكم فيها.