Deterministic control of antiferromagnetic domain walls by circular phonons

لطالما كانت المواد المغناطيسية هي العمود الفقري لكيفية تخزين المعلومات، من الأقراص الصلبة في أجهزة الكمبيوتر لدينا إلى بطاقات الائتمان في محافظنا. لعقود من الزمن، ركز العلماء على المواد الفيرومغناطيسية (المغناطيسية الحديدية)، وهي المواد التي تتكون منها المغناطيسات العادية، لأن مجالاتها المغناطيسية سهلة القياس والتحكم. ومع ذلك، فإن فئة مختلفة من المواد تسمى "الأنتيفيرومغناطيسات" (المغناطيسات المضادة) تحمل الوعد بتخزين بيانات أسرع وأكثر كثافة. في هذه المواد، تشير العزوم المغناطيسية الصغيرة للذرات في اتجاهات متقابلة، مما يؤدي إلى إلغاء بعضها البعض بحيث لا تمتلك المادة مجالاً مغناطيسياً كلياً. وهذا يجعلها غير مرئية للمستشعرات المغناطيسية القياسية ويجعل التحكم فيها صعباً للغاية. يكمن التحدي في التحكم في الحدود بين المناطق المختلفة، أو "النطاقات"، داخل هذه المواد. إذا تمكن العلماء من تعلم كيفية تحريك هذه الحدود بدقة، فقد يتمكنون من إنشاء جيل جديد من أجهزة الذاكرة التي تكون فائقة السرعة ومستقرة للغاية في آن واحد.

لقد أثبت فريق من الباحثين الآن طريقة لتوجيه هذه الحدود غير المرئية باستخدام اهتزازات الشبكة البلورية نفسها. ومن خلال العمل مع معدن طبقي يسمى "ثلاثي كبريتيد فوسفور المنجنيز"، والذي تم تطعيمه قليلاً بالنيكل لجعل بنيته الداخلية أسهل في الرؤية، استخدم العلماء نبضات من الضوء في الأشعة تحت الحمراء المتوسطة لهز الذرات في نمط دائري محدد. ومن خلال توجيه هذا الضوء بـ "استقطاب دائري" ذي التواء محدد، تمكنوا من دفع الحدود بين النطاقات المغناطيسية في اتجاه أو آخر. والنتيجة هي طريقة لتبديل الحالة المغناطيسية للمادة بشكل حتمي، أي تحويلها من تكوين مستقر إلى آخر والعودة مرة أخرى، ببساطة عن طريق تغيير "يدوية" (اتجاه دوران) الضوء المستخدم لإثارتها.

المادة التي درسوها، ثلاثي كبريتيد فوسفور المنجنيز، هي "أنتيفيرومغناطيس من نوع فان دير فالس"، مما يعني أنها تتكون من طبقات رقيقة متماسكة بقوى ضعيفة، تماماً مثل مجموعة من أوراق اللعب. داخل كل طبقة، تترتب الذرات المغناطيسية في نمط خلية نحل. وتحت درجة حرارة معينة، تصطف هذه الذرات في مجموعتين متقابلتين، مما يخلق حالة تتوازن فيها القوى المغناطيسية تماماً. هذا التوازن يخلق حالتين محتملتين للمادة، وهما صورتان مرآتيتان لبعضهما البعض في الزمن. في البلورة المثالية، ستكون هاتان الحالتان متساويتين في الاحتمالية، ولكن في الواقع، تمتلئ المادة بعيوب وشوائب صغيرة. تعمل هذه العيوب كـ "مراسي"، حيث تثبت الحدود بين المناطق المغناطيسية المختلفة في مكانها. عادة ما يكون هذا التثبيت مشكلة، لكن الباحثين وجدوا أنه هو أيضاً المفتاح لجعل عملية التبديل تنجح.

ولرؤية ما كان يحدث داخل البلورة، استخدم الفريق تقنية تصوير خاصة تعتمد على كيفية ارتداد الضوء عن المادة. ولأن الترتيب المغناطيسي يكسر بعض التناظرات في البلورة، فإنه ينتج إشارة فريدة عند ضربه بالليزر، مما يسمح للباحثين برسم خريطة للنمط الشبيه بالمتاهة للنطاقات المغناطيسية. لاحظ الباحثون أن الحدود بين هذه المناطق لم تكن ثابتة؛ بل كان يمكن تحريكها. ثم توجه الباحثون إلى ليزر إلكترونات حرة، وهو مصدر ضوئي قوي قادر على إنتاج أطوال موجية محددة جداً. قاموا بضبط هذا الليزر ليتوافق مع تردد الاهتزاز الطبيعي لمجموعة محددة من الذرات داخل البلورة، وهي مجمع الفوسفور والكبريت. وعندما أطلقوا نبضات ضوئية عند هذا التردد، بدأت الذرات في الاهتزاز.

كانت الخطوة الحاسمة هي كيفية تشكيل الضوء. فبدلاً من مجرد هز الذرات ذهاباً وإياباً، استخدموا ضوءاً مستقطباً دائرياً لجعل الذرات تتحرك في دائرة. خلق هذا "حركة كيرالية" (يدوية)، وهي حركة دورانية مجهرية للشبكة البلورية لها اتجاه محدد، إما في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة. تعمل هذه الحركة الدورانية كالمجال المغناطيسي، ولكنه مجال ناتج عن حركة الذرات نفسها بدلاً من التيارات الكهربائية أو المغناطيسات الخارجية. وجد الباحثون أنه عندما استخدموا ضوءاً يدور في اتجاه واحد، تتحرك الحدود لتوسيع نوع واحد من النطاقات. وعندما قاموا بتغيير اتجاه دوران الضوء إلى الاتجاه المعاكس، تحركت الحدود للوراء، مما أدى إلى تقليص ذلك النطاق وتوسيع النطاق الآخر.

هذه العملية ليست فورية. فنبضة ضوئية واحدة ليست قوية بما يكفي لتحريك الحدود عبر العينة بأكملها. بدلاً من ذلك، وجد الباحثون أن التأثير تراكمي. لقد أطلقوا سلسلة من نبضات الضوء، ومع كل نبضة، تتحرك الحدود مسافة صغيرة إضافية، متجاوزة مقاومة عيوب البلورة التي كانت تثبتها في مكانها. الأمر يشبه دفع جسم ثقيل فوق تلة بدفعات صغيرة متكررة؛ كل دفعة ترفعه قليلاً أعلى حتى يتخطى القمة. في تجاربهم، استغرق الأمر حوالي أربع نبضات لبناء تغيير كبير في شكل النطاق، مما خلق بروزاً يمتد إلى المنطقة المجاورة. ومع ذلك، كان عكس اتجاه الضوء أكثر كفاءة؛ حيث كانت نبضة ضوء واحدة ذات دوران معاكس كافية لطي البروز وإعادة الحدود إلى موضعها الأصلي.

أكد الباحثون أن هذا التأثير لم يكن مجرد تقلب عشوائي، بل كان نتيجة مباشرة لتفاعل الضوء مع اهتزازات البلورة. اختبروا أطوالاً موجية مختلفة للضوء ووجدوا أن التأثير كان أقوى فقط عندما يتوافق الضوء مع التردد المحدد للاهتزازات الذرية الدائرية. إذا استخدموا تردداً مختلفاً، فإن الحدود لا تتحرك. كما اختبروا النظام عند درجات حرارة مختلفة، ووجدوا أن التحكم كان يعمل بشكل موثوق من درجات الحرارة المنخفضة جداً حتى حوالي 45 درجة فوق الصفر المطلق. بعد تلك النقطة، أصبحت الطاقة الحرارية قوية جداً، ولم يعد بإمكان الضوء توجيه الحدود بنفس الدقة.

من خلال عمليات المحاكاة الحاسوبية، قام الفريق بنمذجة كيفية تحرك الحدود عبر مشهد عيوب البلورة. أظهرت النماذج أن الحركة الدائرية للذرات تخلق قوة تساعد الحدود على تسلق حواجز الطاقة التي تسببها العيوب. وبمجرد أن تتحرك الحدود وتتجاوز عيباً ما، فإنها تتعثر مرة أخرى عند العيب التالي، مما يؤدي إلى استقرار الموقع الجديد. يفسر هذا التحرك خطوة بخ الخطوة سبب تراكم التغييرات مع كل نبضة. كما أعادت عمليات المحاكاة إنتاج عدم التماثل الملاحظ في التجربة، حيث أظهرت أن تحريك الحدود ضد توتر جدار النطاق الممتد يتطلب العديد من الدفعات الصغيرة، بينما يؤدي تركها تعود (تنفجر للخلف) إلى تحرير التوتر في حركة واحدة سريعة.

يظهر هذا العمل أن النظام المغناطيسي في هذه المواد يمكن التحكم فيه ليس بواسطة المجالات المغناطيسية، التي تكون ضعيفة في المواد المضادة للمغناطيس، ولكن من خلال الشكل الديناميكي للشبكة البلورية نفسها. أظهر الباحثون أنه من خلال الإثارة الرنينية لاهتزازات محددة باستخدام الضوء المستقطب دائرياً، يمكنهم توليد مجال فعال يعمل مباشرة على النظام المغناطيسي. هذا المجال قوي بما يكفي للتغلب على قوى التثبيت الناتجة عن عيوب البلورة وتحريك جدران النطاقات بطريقة يمكن التنبؤ بها وعكسها. تشير النتائج إلى أن المفتاح للتحكم في هذه المواد لا يكمن فقط في قوة الضوء، بل في التفاعل بين الحركة المستحثة بالضوء والعيوب الطبيعية للبلورة. ومن خلال فهم كيف تعمل هذه العيوب على استقرار الحركة، يمكن للعلماء هندسة مواد ذات استجابات مصممة خصيصاً، مما يفتح الباب لطرق جديدة لتخزين ومعالجة المعلومات باستخدام الحالات المغناطيسية الخفية للمواد المضادة للمغناطيس.