Signatures of a ferro-Josephson effect in twisted graphene

في عالم الإلكترونيات الحديثة، يبحث العلماء باستمرار عن مواد يمكنها حمل المعلومات بطرق جديدة، غالباً من خلال التلاعب باللف المغناطيسي (spin) الدقيق للإلكترونات. لعقود من الزمن، كان التركيز الرئيسي ينصب على كيفية سلوك هذه اللفات عندما تصطدم بحدود بين مناطق ذات محاذاة مغناطيسية مختلفة، والمعروفة باسم جدران النطاقات (domain walls). في المواد المغناطيسية القياسية، يؤدي دفع تيار عبر مثل هذا الجدار عادةً إلى مجرد تحريك الجدار أو جعله يعلق، وهي عملية مدفوعة بقوى تشبه الاحتكاك. ومع ذلك، هناك إمكانية أكثر غرابة حيث لا يكتفي تدفق الكهرباء بتحريك الجدار فحسب، بل يتسبب في جعل العزوم المغناطيسية داخل الجدار تتذبذب أو تدور بشكل إيقاعي. هذا الحرك الإيقاعي، إذا حدث، يمكن أن يولد جهداً بطريقة تختلف جوهرياً عن المقاومة العادية، مما يخلق إشارة مرتبطة بسرعة دوران اللف بدلاً من قوة التيار. إن فهم ما إذا كان من الممكن ملاحظة هذه الظاهرة والتحكم فيها في مواد جديدة أمر بالغ الأهمية لتطوير التقنيات المستقبلية التي تعتمد على التحكم الدقيق في لفات الإلكترونات.

لقد وجد فريق من الباحثين دليلاً قوياً على هذا التأثير في جهاز متخصص مصنوع من طبقات ملتفة من الغرافين. فمن خلال تكديس طبقة واحدة من الغرافين فوق ثلاث طبقات من المادة نفسها مع لفهما قليلاً بالنسبة لبعضهما البعض، أنشأوا بنية تتصرف فيها الإلكترونات بطريقة جماعية ومنسقة للغاية. وعندما قاموا بتبريد هذا الجهاز إلى درجات حرارة منخفضة للغاية وتطبيق إعدادات كهربائية محددة، اكتشفوا أن المادة طورت تلقائياً مناطق ذات اتجاهات مغناطيسية مختلفة. وكان الاكتشاف الأكثر إثارة هو ما حدث عند تطبيق مجال مغناطيسي ضئيل موازٍ لسطح المادة؛ فعند الصفر تماماً للمجال المغناطيسي، ارتفرت المقاومة الكهربائية للجهاز بشكل هائل، ولكن فقط عندما كان هناك تيار صغير يتدفق. وبمجرد إيقاف تشغيل التيار، اختفت هذه الطفرة. وقد أوحى هذا السلوك بأن التيار نفسه كان يدفع الحدود المغناطيسية للدوران، مما يخلق حالة ديناميكية تقاوم تدفق الكهرباء.

لاحظ الباحثون أن ذروة المقاومة هذه كانت حساسة للغاية لاتجاه وقوة المجال المغناطيسي. فحتى مجال ضعيف لا يتجاوز بضع مئات من الميكروتسلا كان كافياً لتثبيط التأثير، مما يجبر الحدود المغناطيسية على الانحباس في موضع ثابت حتى يصبح التيار قوياً بما يكفي للتغلب على ذلك القفل. وقد نمت عتبة التيار هذه خطياً مع المجال المغناطيسي، وهي علاقة تطابقت مع تنبؤ نظري لما يسميه المؤلفون "تأثير جوزيفسون الحديدي" (ferro-Josephson effect). في هذا السيناريو، يعمل التيار كعزم دوران، يحاول لوي العزوم المغناطيسية داخل الجدار. وعندما يكون المجال المغناطيسي صفراً، تكون العزوم حرة في الدوران، وهذا الدوران يولد هبوطاً في الجهد يبدو كذروة حادة في المقاومة. وعند تطبيق مجال مغناطيسي صغير، فإنه يعمل كمكبح، حيث يمسك العزوم في مكانها حتى يصبح التيار قوياً بما يكفي لكسر هذا القيد وإعادة بدء الدوران. وقد أكد الباحثون أن هذا التأثير ليس ناتجاً عن مجرد تسخين التيار للمادة أو دفعه للجدران المغناطيسية لتجاوز عقبات فيزيائية، إذ أن تلك الآليات لن تظهر مثل هذا الاعتماد الدقيق على المجال المغناطيسي أو تختفي بهذا الوضوح عند إزالة التيار.

ولإثبات أن التأثير يعتمد على الترتيب المحدد للنطاقات المغناطيسية، أجرى الفريق تجارب حيث قاموا عمداً بإعادة ضبط الحالة المغناطيسية للمادة. ووجدوا أن ذروة المقاومة لا تظهر إلا إذا كانت المادة تحتوي على مزيج محدد من المناطق المغناطيسية: منطقة واحدة حيث تكون اللفات مقفلة بإحكام في اتجاه رأسي بواسطة البنية الداخلية للمادة، ومنطقة مجاورة حيث تكون اللفات حرة في الدوران بسهولة في المستوى الأفقي. وعندما استخدم الباحثون مجالاً مغناطيسياً خارجياً لمحاذاة جميع اللفات في نفس الاتجاه، اختفت ذروة المقاومة. ومع ذلك، بمجرد مسح المجال عائداً عبر نقطة الصفر، كانت المنطقة سهلة الدوران تقلب اتجاهها بينما تظل المنطقة المقفلة ثابتة، مما أعاد إنشاء الحد الفاصل اللازم لعودة التأثير. وقد أكد هذا السلوك أن الظاهرة كانت نتيجة مباشرة للتفاعل بين التيار المتدفق والحد الفاصل بين هاتين الحالتين المغناطيسيتين المختلفتين.

تسلط الدراسة الضوء على أن هذا التأثير يعمل عند مستويات طاقة أصغر بكثير من الطاقة الحرارية الموجودة حتى في أدنى درجات الحرارة التجريبية، مما يشير إلى أنها عملية ميكانيكية كمومية بحتة مدفوعة بالحركة الجماعية للإلكترونات. ويشير الباحثون إلى أنه بينما يتوافق تفسيرهم مع البيانات تماماً، فإن التفاصيل الدقيقة لكيفية تفاعل الإلكترونات مع الجدار الدوار لا تزال قيد التحسين. وهم يقترحون أن هذا التأثير يمكن أن يعمل كأداة حساسة للغاية لسبر الأنسجة المغناطيسية غير المرئية داخل هذه المواد، مما يوفر طريقة جديدة لدراسة كيفية تنظيم الإلكترونات لنفسها في الأنظمة الكمومية المعقدة. ومن خلال إثبات أن تياراً كهربائياً بسيطاً يمكن أن يحفز حركة إيقاعية ودورانية في الحدود المغناطيسية، يفتح هذا العمل فصلاً جديداً في فهم كيفية التحكم في هذه الديناميكيات المغناطيسية الدقيقة واستغلالها في الأجهزة الإلكترونية المستقبلية.