Symmetry-selective nonrelativistic spin splitting in antiferromagnets driven by coherent phonons

في عالم الإلكترونيات الحديثة، يعتمد التحكم في تدفق المعلومات غالباً على المغناطيسية. تستخدم الأجهزة التقليدية مواد مثل الحديد، حيث تشير جميع المغناطيسات الذرية الصغيرة في نفس الاتجاه، مما يخلق مجالاً مغناطيسياً صافياً يمكن التلاعب به بسهولة. ومع ذلك، فإن هذا المجال المغناطيسي يمثل أيضاً عبئاً؛ فهو يسبب تداخلاً ويتطلب طاقة كبيرة لتغيير الحالات. لطالما سعى العلماء إلى إيجاد طريقة لتسخير "لف" (spin) الإلكترونات — وهو زخمها الزاوي الجوهري، الذي يعمل مثل بوصلة داخلية صغيرة — دون الأعباء الناتجة عن مجال مغناطيسي صافٍ. وهذا هو الوعد الذي تقدمه المواد ذات المغناطيسية المضادة (antiferromagnets)، وهي فئة من المواد التي تشير فيها المغناطيسات الذرية المتجاورة في اتجاهات متعاكسة، مما يؤدي إلى إلغاء بعضها البعض تماماً. وبينما تُعد هذه المواد غير مرئية للمجالات المغناطيسية الخارجية ومثالية للحوسبة فائقة السرعة ومنخفضة الطاقة، إلا أنها كانت تاريخياً صعبة التحكم لأن نظامها الداخلي مستقر للغاية ومستتر. ويتعلق الاختراق الأخير بإيجاد طريقة لتقسيم مستويات طاقة الإلكترونات ذات اللف المتعاكس في هذه المواد، وهي عملية تُعرف باسم "تقسيم اللف غير النسبي" (nonrelativistic spin splitting)، والتي تسمح بالتحكم في تدفق الإلكترونات دون الحاجة إلى الآلات الثقيلة للمغناطيسية التقليدية.

لقد أثبت فريق من الباحثين الآن طريقة لاستحثاث والتحكم ديناميكياً في هذا التقسيم في المواد ذات المغناطيسية المضادة باستخدام موجات صوتية على المقياس الذري. وفي دراسة ركزت على بلورة طبقية تسمى "منغنيز فوسفور ثلاثي الكبريتيد" (manganese phosphorus trisulfide)، أظهر العلماء أنه من خلال هز المادة بأنماط محددة من الضوء، يمكنهم كسر التماثل الذي يبقي لف الإلكترونات متساوياً بشكل مؤقت. هذه العملية لا تعتمد على الحالة المغناطيسية الطبيعية للمادة، بل تُقاد بالطريقة الدقيقة التي يتم بها هز الذرات. ووجد الباحثون أن اتجاه الضوء المستخدم لهز الذرات يعمل بمثابة مفتاح، يختار نوع سلوك اللف الذي سيظهر. فمن خلال توجيه الضوء في اتجاه واحد، خلقوا حالة يكون فيها فرق الطاقة بين الإلكترونات ذات اللف "للأعلى" واللف "للأسفل" موجوداً في كل مكان، بما في ذلك في مركز خريطة الزخم الخاصة بالمادة. أما بتوجيه الضوء في اتجاه عمودي، فقد خلقوا حالة مختلفة يتلاشى فيها فرق الطاقة هذا عند المركز ولكنه يظهر بقوة في اتجاهات أخرى، وهو نمط يميز فئة مكتشفة حديثاً من المواد المغناطيسية تسمى "المواد البديلة للمغناطيسية" (altermagnets).

اعتمدت الدراسة على حقيقة أن الذرات في هذه البلورة يمكن أن تهتز بطرق محددة ومنسقة عند تعرضها للضوء. ركز الباحثون على نوعين متميزين من الاهتزازات التي تحدث عند تردد يبلغ حوالي 4.5 تيراتهرتز، وهي سرعة أسرع بكثير من أن تسمعها الأذن البشرية ولكنها تتوافق تماماً مع الإيقاع الطبيعي لذرات البلورة. هذه الاهتزازات هي اهتزازات "نشطة بالأشعة تحت الحمراء"، مما يعني أن الذرات تتحرك بطريقة تسمح لها بامتصاص طاقة الضوء مباشرة. استخدم الفريق حسابات من المبادئ الأولى لنمذجة ما يحدث عندما يتم تجميد هذه الاهتزازات في مكانها، مما يخلق فعلياً لقطة للبلورة وهي مشوهة. واكتشفوا أن الاهتزازين، رغم تشابه سرعتهما، يحركان الذرات بأنماط مختلفة جوهرياً. أحد الاهتزازات يدفع ذرات المنغنيز في اتجاه يكسر جميع الروابط المتماثلة بين الطبقات المغناطيسية المتضادة. بينما يحرك الاهتزاز الآخر الذرات بطريقة تحافظ على تماثل مرآتي محدد بين تلك الطبقات.

هذا الاختلاف في التماثل هو ما يحدد سلوك الإلكترونات. فعندما يكسر الاهتزاز جميع الروابط بين الطبقات المغناطيسية المتضادة، تنفصل الإلكترونات ذات اللفات المتعاكسة في الطاقة عبر المادة بأكملها، مما يخلق تقسيماً موحداً. ويُوصف هذا بحالة "الموجة s" (s-wave state)، حيث يكون التأثير متسقاً في جميع الاتجاهات. في المقابل، عندما يحافظ الاهتزاز على التماثل المرآتي، يتصرف تقسيم الطاقة بشكل مختلف؛ إذ يكون صفراً عند مركز خريطة الزخم تماماً، ولكنه يزداد كبراً كلما ابتعدت عن المركز، ويغير إشارته عند عبور خطوط معينة. هذا يخلق نمط "الموجة d" (d-wave pattern)، وهو السمة المميزة لحالة "الألترماجنيت" (altermagnetic state). وحسب الباحثون أنه بالنسبة لسعة اهتزاز تبلغ 0.05 أنجستروم، يصل فرق الطاقة بين اللفات إلى حوالي 50 إلى 100 مللي إلكترون فولت، وهو تحول كبير يمكن اكتشافه واستغلاله في الأجهزة الإلكترونية. والأهم من ذلك، أن حجم هذا الانقسام الطاقي ينمو خطياً مع قوة الاهتزاز، مما يعني أنه يمكن ضبط التأثير ببساطة عن طريق تعديل شدة الضوء.

تكمن قوة هذا النهج في دقته وسرعته. ولأن الاهتزازين يستجيبان للضوء المستقطب في اتجاهات مختلفة، يمكن للعالم اختيار الحالة الإلكترونية التي يريد إنشاؤها ببساطة عن طريق تدوير استقطاب شعاع الضوء القادم. فإذا كان الضوء مستقطباً بطريقة معينة، تظهر حالة "الموجة s" الموحدة؛ وإذا تم تدويره تسعين درجة، تسود حالة "الموجة d" الاتجاهية. علاوة على ذلك، ولأن الاهتزاز مدفوع بنبضة ضوئية متماسكة، فإن اتجاه الإزاحة الذرية ينقلب ذهاباً وإياباً بسرعة. وهذا يتسبب في عكس إشارة تقسيم اللف المستحث بالتزامن مع الاهتزاز، حيث يتذبذب عند تردد الضوء. وهذا يشير إلى إمكانية التبديل بين حالات اللف المختلفة بسرعات "تيراتهرتز"، وهي أسرع بكما من قدرة المفاتيح الإلكترونية الحالية على العمل. وتؤكد الدراسة أن هذه التأثيرات تعود أساساً إلى التشوه الميكانيكي للشبكة البلورية بدلاً من التأثيرات النسبية، مما يجعل الظاهرة قوية وقابلة للتنبؤ.

تؤسس هذه النتائج مساراً جديداً للتحكم في "اللف" في المواد ذات المغناطيسية المضادة دون الحاجة إلى مجالات مغناطيسية ثابتة أو تغييرات كيميائية. فمن خلال استخدام الضوء لدفع اهتزازات ذرية محددة، يمكن للباحثين هندسة الخصائص الإلكترونية للمادة ديناميكياً، وتحويلها إلى مرشح "لف" قابل للتبديل. إن القدرة على الاختيار بين حالة تقسيم اللف الموحدة وحالة "الألترماجنيت" الاتجاهية بمجرد تغيير زاوية الضوء تقدم أداة متعددة الاستخدامات لأجهزة "السبينترونيكس" (spintronics) المستقبلية. ويشير العمل إلى أن تماثل البنية الداخلية للمادة يمكن إعادة كتابته مؤقتاً بواسطة الموجات الصوتية، مما يفتح الباب أمام إلكترونيات فائقة السرعة ومنخفضة الطاقة تعمل وفق مبادئ كانت تُعتبر سابقاً ثابتة بخصائص المادة الطبيعية. وتوفر هذه الطريقة مساراً مباشلاً للتحكم في تدفق المعلومات في الجيل القادم من أجهزة الحوسبة، حيث تكون السرعة وكفاءة الطاقة أمراً بالغ الأهمية.