Crystal symmetry predicts unconventional magnetism

على مدى عقود، فهم العلماء أن المغناطيسات تأتي في نوعين مألوفين: تلك التي تجذب إبرة البوصلة، مثل مغناطيس الثلاجة، وتلك التي لا تفعل ذلك، مثل الحديد الموجود في صخرة عادية. في النوع غير الجاذب، تشير الأسهم المغناطيسية الصغيرة داخل المادة في اتجاهات متعاكسة، مما يؤدي إلى إلغاء بعضها البعض بحيث لا يمتلك الجسم ككل مغناطيسية صافية. لفترة طويلة، كان الافتراض هو أنه إذا كانت المادة تفتقر إلى مغناطيسية صافية، فإن إلكتروناتها ستكون متوازنة تمامًا أيضًا، دون تفضيل للدوران في اتجاه واحد أو آخر. هذا التوازن يعني أن الإلكترونات التي تتحرك عبر المادة تتصرف بنفس الطريقة تمامًا بغض النظر عن اتجاه حركتها، مما يجعل هذه المواد "مملة" كهربائيًا لأنواع معينة من الإلكترونيات المتقدمة.

ومع ذلك، فقد حطمت فئة جديدة من المواد هذا الافتراض مؤخرًا. تُسمى هذه المواد "المغناطيسات المتوازنة غير التقليدية". ورغم أن أسهمها المغناطيسية الداخلية تلغي بعضها البعض بشكل مثالي، مما يترك المادة بصفر مغناطيسية صافية، إلا أن الإلكترونات بداخلها ليست متوازنة. بدلاً من ذلك، يعتمد دوران (spin) الإلكترونات على الاتجاه الذي تتحرك فيه عبر البلورة. فالإلكترون الذي يتحرك شمالًا قد يدور بطريقة معينة، بينما يدور الإلكترون الذي يتحرك جنوبًا في الاتجاه المعاكس. هذا الدوران الخفي المرتبط بالحركة يخلق فرصًا قوية لتقنيات جديدة، مثل تخزين البيانات بشكل أسرع ونقل الطاقة بكفاءة أكبر، دون التداخل المغناطيسي الذي يعيق المغناطيسات التقليدية. كانت المشكلة تكمن في أن العثور على هذه المواد أمر صعب للغاية؛ فلكي تعرف ما إذا كانت مادة ما تمتلك هذه الخاصية المميزة، يحتاج الباحثون عادةً إلى معرفة الترتيب الدقيق لكل سهم مغناطيسي بداخلها. لكن رسم خرائط لهذه الترتيبات الداخلية عملية بطيئة ومكلفة تتطلب معدات متخصصة وعينات مثالية، مما يعني أن معظم المواد المعروفة لم يتم فحص إمكاناتها الخفية قط.

لقد وجد فريق من الباحثين في الصين الآن طريقة لتجاوز هذا الاختناق. فبدلاً من الانتظار لرسم خرائط للأسهم المغناطيسية، أدركوا أن شكل البلورة نفسها — أي الطريقة التي تترتب بها الذرات في الفضاء — تحمل الإجابة بالفعل. تمامًا كما يحدد شكل المفتاح الأقفال التي يمكنه فتحها، فإن تناظر البنية البلورية يحدد أنواع السلوك المغنتيسي الممكنة داخلها. طور الباحثون طريقة للنظر في بنية البلورة والتنبؤ بما إذا كان يجب أن تكون مغناطيسًا غير تقليدي، بغض النظر عن الترتيب المغناطيسي الذي ستتخذه في النهاية. لم يكونوا بحاجة لمعرفة الحالة المغناطيسية النهائية؛ بل كانوا بحاجة فقط لمعرفة أي الذرات مغناطيسية وكيف تترتب في الشبكة البلورية. وباستخدام إطار رياضي يسمى "مجموعات فضاء الدوران" (spin-space groups)، قاموا بتوليد كل ترتيب مغناطيسي ممكن يمكن أن يتناسب داخل بنية بلورية معينة. وإذا تبين أن كل ترتيب من تلك الترتيبات الممكنة هو مغناطيس غير تقليدي، فإن المادة نفسها ستكون كذلك بالضرورة.

اختبر الفريق هذه الفكرة مقابل قاعدة بيانات للمواد ذات الهياكل المغناطيسية المعروفة. قاموا بإزالة المعلومات المغناطيسية المعروفة وحاولوا التنبؤ بالطابع المغناطيسي باستخدام شكل البلورة فقط. كانت النتائج مذهلة؛ فعندما نظروا إلى المواد التي صنفتها طريقتهم كمرشحة واعدة، تبين أن 68 بالمائة منها كانت بالفعل مغناطيسات غير تقليدية. وفي المقابل، أظهرت 9 بالمائة فقط من المواد التي لم تصنفها طريقتهم هذه الخاصية. أثبت هذا أن تناظر البلورة هو متنبئ قوي، قادر على تحديد هذه المواد الخاصة قبل وقت طويل من قياس حالتها المغناطيسية الأرضية.

وتشجيعًا لهذا النجاح، طبق الباحثون طريقتهم على قاعدة بيانات ضخمة تسمى "مشروع المواد" (Materials Project)، والتي تحتوي على الهياكل البلورية لعشرات الآلاف من المركبات. قاموا بتصفية ما يقرب من 24,000 مادة استوفت معاييرهم المحددة. أسفر البحث عن آلاف المرشحين الجدد. ومن بينها، حددوا 1,769 مادة حيث كان كل ترتيب مغناطيسي ممكن فيها غير تقليدي. كما وجدوا مجموعة أكبر تضم 6,248 مادة غير تقليدية، بشرط ألا يؤدي الترتيب المغناطيسي إلى توسيع وحدة الخلية البلورية. وللتأكد من أن هذه التنبؤات ليست مجرد فضول رياضي، أجرى الفريق محاكاة حاسوبية مفصلة على مادتين محددتين هما: VGe3 و tetragonal Fe2SiO4.

في حالة VGe3، أكدت عمليات المحاكاة أن المادة هي بالفعل مغناطيس غير تقليدي. ووجد الباحثون أن الإلكترونات في هذه المادة تظهر سلوكًا فريدًا من نوع "الموجة المختلطة". فبدون الحاجة إلى عناصر ثقيلة تعقد الخصائص المغناطيسية عادةً، يمكن للإلكترونات أن تدور بطريقة تجمع بين نوعين مختلفين من الاعتماد على الزخم. جزء من نمط الدوران يغير إشارته عند عكس اتجاه الإلكترون، بينما يظل الجزء الآخر كما هو. هذا التعايش يسم يسمح للمادة بالحفاظ على اتجاه دوران ثابت على طول محور معين مع الاستمرار في إظهار سلوك معقد يعتمد على الزخم. هذا الاكتشاف مهم لأنه يوضح أن هذه الحالات المغناطيسية الغريبة يمكن أن تنشأ من ترتيبات غير متوافقة بسيطة للذرات المغناطيسية، بدلاً من اشتراط كيمياء معقدة وعناصر ثقيلة.

أما بالنسبة للمادة الثانية، Fe2SiO4، فقد كشفت عمليات المحاكاة عن مشهد من الحالات المغناطيسية المتنافسة. وجد الباحثون خمسة عشر ترتيبًا مغناطيسيًا مختلفًا يمكن للبلورة اتخاذها. ورغم أن الفروق في الطاقة بينها كانت ضئيلة، إلا أن الحالة الأكثر استقرارًا كانت لا تزال مغناطيسًا غير تقليدي. أكد هذا أنه حتى عندما توجد احتمالات مغناطيسية متعددة، فإن تناظر البلورة يمكنه إجبار المادة على البقاء في الفئة غير التقليدية. توضح الدراسة أن الطريق لاكتشاف مواد مغناطيسية جديدة لا يتطلب حل اللغز المعقد للحالة المغناطيسية الأرضية أولاً. بد instead، يمكن للعلماء الآن النظر في البنية البلورية ومعرفة ما إذا كانت المادة تمتلك القدرة على هذه الخصائص الإلكترونية المتقدمة على الفور.

هذا النهج يحول البحث عن مغناطيسات جديدة من لعبة حظ إلى استكشاف موجه. فمن خلال الاعتماد على القواعد الثابتة لتناظر البلورات، يمكن للباحثين تحديد المواد التي تستحق الجهد المبذول في الدراسة التجريبية التفصيلية. ويشير العمل إلى أن مجموعة المغناطيسات غير التقليدية أكبر بكثير مما كان يُعتقد سابقًا، وهي كامنة داخل آلاف الهياكل البلورية المعروفة بالفعل للعلم. لقد وضع الباحثون قائمتهم من المرشحين تحت تصرف المجتمع العلمي، مما يوفر خارطة طريق للمجربين للتحقق من هذه التنبؤات وللمهندسين للبدء في تصميم الجيل القادم من التقنيات القائمة على الدوران. تؤكد النتائج أن المخطط الأولي لـ "روح" المادة المغناطيسية غالبًا ما يُكتب في ترتيب ذراتها، منتظرًا من يقرأه بعين خبيرة.