Exchange-Driven Chiral Magnons and Weyl States in Room-Temperature Metallic XCoB$_2$ (X= Ta, Zr and Hf) Altermagnets

في عالم المواد الصلبة، عادة ما ينقسم المغناطيس إلى معسكرين مألوفين. هناك الفيرومغناطيس (المغناطيس الحديدي)، مثل الحديد الموجود في باب الثلاجة، حيث تشير جميع المغناطيسات الذرية الصغيرة في نفس الاتجاه، مما يخلق قوة جذب قوية ومجالاً يمتد في الفضاء المحيط بها. ثم هناك الأنติفيرومغناطيس (المغناطيس المضاد)، حيث تشير المغناطيسات الذرية في اتجاهات متعاكسة، مما يلغي بعضها البعض بدقة تامة بحيث تبدو المادة محايدة مغناطيسياً بالنسبة للعالم الخارجي. لعقود من الزمن، اعتقد العلماء أن هذين هما الخياران الوحيدان لكيفية ترتيب الإلكترونات ولفاتها المغزلية داخل البلورة. ومع ذلك، فقد ظهر مؤخراً تصنيف جديد وأكثر دقة يُعرف باسم "الألتيرماجنيت" (altermagnet). تبدو هذه المواد مثل الأنติفيرومغناطيسات لأنها لا تملك مجالاً مغناطيسياً صافياً، لكنها تتصرف مثل الفيرومغناطيسات بطريقة حاسمة: فالإلكترونات التي تتحرك خلالها تنقسم إلى مجموعتين متمايزتين بناءً على لفها المغزلي، حتى دون الحاجة إلى ذرات ثقيلة تسبب مثل هذه التأثيرات عادةً. هذا الترتيب الفريد يعد بإحداث ثورة في كيفية تخزين المعلومات ومعالجتها، لكن العثور على مواد حقيقية ومستقرة تُظهر هذا السلوك، خاصة تلك التي تعمل في درجة حرارة الغرفة، كان يمثل تحدياً كبيراً.

لقد حدد فريق من الباحثين في جامعة دكا الآن عائلة جديدة واعدة من المواد التي تناسب هذا الوصف تماماً. ركزوا على مجموعة من المركبات المعدنية المكونة من الكوبالت والبورون وعنصر معدني ثالث — إما التنتالوم أو الزركونيوم أو الهافنيوم. ومن خلال إجراء عمليات محاكاة حاسوبية مفصلة تعتمد على قوانين ميكانيكا الكم، اكتشف العلماء أن هذه المواد، التي تشكل بنية بلورية محددة، هي بالفعل "ألتيرماجنيت". والمكتشف الأكثر إثارة هو أن اثنين من هذه المركبات، وهما اللذان يحتويان على الزركونيوم والهافنيوم، يحافظان على نظامهما المغناطيسي عند درجات حرارة أعلى بكثير من درجة حرارة الغرفة، مما يجعلهما مرشحين عمليين للتكنولوجيا المستقبلية. لم يتوقف الباحثون عند تحديد الحالة المغناطيسية فحسب؛ بل رسموا مسار حركة الإلكترونات عبر هذه المواد وكيفية انتقال موجات المغناطيسية، التي تسمى "الماجنونات" (magnons). ووجدوا أن هذه المواد تمتلك مزيجاً نادراً من الميزات: فهي معدنية، ولديها نوع خاص من النظام المغناطيسي الذي يفصل لفات الإلكترونات، وتضم نقاطاً غريبة في هيكل طاقتها تُعرف بـ "عقد ويل" (Weyl nodes)، المرتبطة بخصائص كهربائية فريدة.

لفهم ما يجعل هذه المواد مميزة، يجب النظر في كيفية ترتيب الذرات وكيفية تفاعلها. حلل الفريق البنية البلورية لهذه البوريدات، والتي تنتمي إلى عائلة هندسية محددة تُعرف باسم "أورثورومبيك" (orthorhombic). في هذا الترتيب، تشكل ذرات الكوبالت شبكة حيث تشير عزومها المغناطيسية في اتجاهات متبادلة، مما يخلق حالة متوازنة ذات مغناطيسية صافية صفرية. ومع ذلك، فإن تناظر البلورة يجعلها لا تكتفي بمجرد قلب اللفات، بل تقوم بتدويرها بطريقة تكسر قواعد التناظر المعتادة. هذا الترتيب المحدد يسمح لمستويات طاقة الإلكترونات ذات اللف "للأعلى" واللف "للأسفل" بالانفصال، أو الانقسام، أثناء تحركها عبر المادة. وقد حسب الباحثون أن هذا الانقسام كبير، حيث يصل إلى قيم تزيد عن 200 مللي إلكترون فولت في بعض الحالات، وهو ما يكفي ليكون قابلاً للكشف والاستخدام بسهولة. هذا الانقسام ليس عشوائياً؛ بل يتبع نمطاً دقيقاً تمليه هندسة البلورة، مما يخلق مشهداً تتحرك فيه إلكترونات ذات لفات مختلفة عبر مسارات مختلفة.

كما تعمقت الدراسة في سلوك "الماجنونات"، وهي موجات مغناطيسية جماعية تنتشر عبر المادة، تشبه الطريقة التي تنتقل بها الموجات الصوتية عبر الهواء. في معظم المواد المغناطيسية، تأتي هذه الموجات في أزواج متطابقة في الطاقة. ولكن في هذه "الألتيرماجنيتات" الجديدة، وجد الباحثون أن الموجات تنقسم إلى فرعين متمايزين بطاقات مختلفة، وهي ظاهرة تُعرف باسم "انقسام الماجنون الكيرالي" (chiral magnon splitting). يحدث هذا لأن القوى المغناطيسية بين ذرات الكوبالت ليست متساوية جميعها؛ وتحديداً، تختلف التفاعلات بين الذرات التي تفصلها ست خطوات في الشبكة البلورية اعتماداً على المسار الذي تسلكه. هذا الاختلاف الطفيف في "الغراء" المغناطيسي الذي يربط الذرات ببعضها قوي بما يكفي لرفع حالة التحلل في طاقة موجات الماجنون. وحسب الفريق أن هذا الانقسام يصل إلى 3.10 مللي إلكترون فولت، وهي قيمة كبيرة بما يكفي ليتم قياسها باستخدام تقنية تسمى "تشتت النيوترونات غير المرن"، والتي تتضمن صدم النيوترونات بالمادة لرؤية كيفية اهتزازها.

أحد الجوانب الأكثر أهمية لهذا الاكتشاف هو درجة الحرارة التي تظل عندها هذه المواد مغناطيسية. استخدم الباحثون طريقة تسمى "محاكاة مونت كارلو"، والتي تتضمن إجراء آلاف التجارب الافتراضية لمعرفة سلوك المادة مع ارتفاع درجة حرارتها. ووجدوا أن المركب الذي يحتوي على التنتالوم يفقد نظامه المغناطيسي عند درجة حرارة منخفضة نسبياً تبلغ حوالي 67 كلفن، وهو ما يقل كثيراً عن درجة التجمد. ومع ذلك، فإن المركبات التي تحتوي على الزركونيوم والهافنيوم أكثر متانة؛ حيث يظل المركب القائم على الزركونيوم مغناطيسياً حتى 330 كلفن، بينما يحافظ المركب القائم على الهافنيوم على ذلك حتى 307 كلفن. وبما أن درجة حرارة الغرفة تبلغ حوالي 293 كلفن، فهذا يعني أن مركبات الزركونيوم والهافنيوم مستقرة وتعمل في البيئات اليومية، وهي سمة نادرة وقيمة لأي مادة مغناطيسية مخصصة للاستخدام في الأجهزة الإلكترونية.

وبعيداً عن خصائصها المغناطيسية، تُظهر هذه المواد أيضاً ميزات طوبولوجية تجعلها أكثر إثارة للاهتمام. فعندما أدرج الباحثون تأثيرات "اقتران المدار واللف" (spin-orbit coupling) — وهو تفاعل نسبي بين لف الإلكترون وحركته — وجدوا أن نطاقات طاقة الإلكترونات تتقاطع عند نقاط محددة، مما يخلق ما يُعرف بـ "عقد ويل". تعمل هذه العقد كمصادر ومصبات لنوع خاص من الانحناء في المشهد الإلكتروني للمادة. وبسبب هذه البنية، يُتوقع أن تولد هذه المواد "تأثير هول الشاذ" القوي، وهي ظاهرة حيث يؤدي التيار الكهربائي المتدفق عبر المادة إلى إنشاء جهد عمودي على التدفق، وكل ذلك دون الحاجة إلى مجال مغناطيسي خارجي. إن قوة التأثير المحسوبة كبيرة، حيث تصل إلى مئات الوحدات من الموصلية، مما يشير إلى أن هذه المواد يمكن أن تكون فعالة للغاية في تحويل الحرارة أو تيارات اللف إلى إشارات كهربائية.

كما تتبع الباحثون الأصول المجهرية لهذه الخصائص وصولاً إلى الطرق التي ترتبط بها الذرات. ووجدوا أن انقسام موجات الماجنون مدفوع بالتفاعلات طويلة المدى بين ذرات الكوبالت التي تفصلها مسافة كبيرة داخل البلورة. هذه التفاعلات تتم بوساطة ذرات البورون والفلز الثالث الموجود بينها. في مركبات الزركونيوم والهافنيوم، يخلق المسار عبر ذرات البورون رابطاً فيرومغناطيسياً، بينما يخلق المسار عبر الفلزات رابطاً أنتي فيرومغناطيسياً. ولأن هذين المسارين ليس لهما نفس الطول أو الترتيب الذري، فإنهما يمارسان قوى مختلفة قليلاً، وهذا الاختلاف هو ما يدفع الانقسام الكيرالي الفريد للموجات المغناطيسية. يوفر هذا الفهم التفصيلي للقوى على المستوى الذري مخططاً لكيفية هندسة مواد مماثلة في المستقبل.

باختدال، يحدد هذا العمل فئة جديدة من "الألتيرماجنيتات" المعدنية التي تجمع بين المغناطيسية الصافية الصفرية وبين الانقسام المغزلي الكبير والاستقرار في درجة حرارة الغرفة. إن اكتشاف هذه الخصائص في بوريدات الزركونيوم والهافنيوم يقدم منصة واحدة حيث يمكن لكل من الكيرالية الإلكترونية والمغناطيسية التعايش دون تداخل من المجالات المغناطيسية الشاردة. هذه القدرة المزدوجة، المدعومة بوجود عقد ويل واستجابات "هول الشاذة" القوية، تضع هذه المواد كمرشحات قوية لأجهزة "السبينترونيكس" (spintronics) من الجيل القادم. تستند هذه النتائج إلى حسابات ومحاكاة صارمة من المبادئ الأولى، مما يوفر أساساً نظرياً صلباً للعلماء التجريبيين لتخليق واختبار هذه المركبات في المختبر. وإذا تم تأكيد هذه المواد تجريبياً، فقد تفتح مسارات جديدة لتطوير تقنيات فائقة السرعة وموفرة للطاقة تعمل في درجة حرارة الغرفة، مما يسد الفجوة بين الفيزياء الكمية الأساسية والهندسة العملية.