Hidden Angular Momentum Loop Currents in Symmetric Crystals

نادرًا ما تكون المادة ساكنة كما تبدو. فحتى في البلورة الصلبة التي تبدو صلبة تمامًا، تكون الذرات في حركة اهتزازية مستمرة، تهتز حول مواضعها الثابتة مثل أوزان صغيرة معلقة بنوابض. وفي عالم الفيزياء، ليست هذه الاهتزازات مجرد ضجيج عشوائي؛ فهي تحمل طاقة، والأهم من ذلك، يمكنها حمل الزخم الزاوي. هذا هو الدوران الميكانيكي للذرات أثناء تذبذبها. لعقود من الزمن، عرف العلماء أنه إذا قمت بتسخين مادة أو سلطت الضوء عليها، يمكنك جعل هذه الاهتزازات الذرية تدور في اتجاه محدد، مما يخلق تدفقًا للزخم الزاوي. لكن سؤالًا أعمق ظل يراود العلماء: هل يمكن لهذا التدفق الدوراني أن يوجد عندما تكون المادة هادئة تمامًا، ومستقرة في حالة توازن مثالي دون أي حرارة خارجية أو ضوء يدفعها؟ كان الرأي السائد هو أنه في بلورة متماثلة تمامًا، يجب أن يلغي أي دوران داخلي من هذا القبيل نفسه، تاركًا المادة بدون دوران صافٍ.

لقد أظهر فريق من الباحثين في كلية بوسطن وكلية دارتموث الآن أن هذا الإلغاء ليس هو القصة بأكملها. فقد اكتشفوا أنه حتى في بلورة تبدو متماثلة تمامًا وتقبع في حالة سكون تام، يمكن للذرات أن تدعم تدفقًا خفيًا ودورانيًا للزخم الزاوي. لا يتطلب هذا الدوران أن تكسر البلورة تماثلها الخاص، ولا يتطلب أن يكون للذرات دوران صافٍ عند أي نقطة واحدة. بدلاً من ذلك، ينبثق التدفق من الطريقة التي ترتبط بها الذرات وكيفية دفع بعضها البعض. وجد الباحثون أن الهندسة الداخلية للبلورة تنظم هذه الاهتزازات المجهرية في نمط من الحلقات الصغيرة المتعاكسة. ففي مربع صغير واحد من الشبكة البلورية، قد تدور الذرات في اتجاه عقارب الساعة، بينما في المربع التالي مباشرة، تدور في عكس اتجاه عقارب الساعة. هذه الحلقات متوازنة بدقة شديدة لدرجة أنك إذا قمت بقياس إجمالي دوران البلورة بأكملها، أو حتى متوسط الدوران عند أي ذرة منفردة، ستجد أن الناتج صفر. ومع ذلك، فإن الدوران حقيقي، ومستمر، ومدفوع بالاهتزاز الكمي الأساسي للذرات نفسها.

لفهم كيفية حدوث ذلك، تخيل بلورة مكونة من نوعين مختلفين من المواقع الذرية، والتي يمكننا تسميتها (أ) و(ب). في النموذج المحدد الذي درسه الباحثون، يتم ترتيب هذه المواقع في شبكة حيث يحيط بكل موقع (أ) مواقع من النوع (ب)، والعكس صحيح. يكمن المفتاح في هذا الاكتشاف في "صلابة" النوابض التي تربط هذه الذرات. في البلورة الحقيقية، القوة التي تسحب الذرة عائدة إلى مركزها ليست متساوية في جميع الاتجاهات؛ فهي غالبًا ما تكون أكثر صلابة في اتجاه ما وأكثر ليونة في اتجاه آخر. أدرك الباحثون أنه في بلورتهم المتماثلة، يكون المحيط المحلي للموقع (أ) مدورًا بزاوية 90 درجة مقارنة بالموقع (ب). وهذا يعني أنه إذا كان النابض الذي يربط ذرة (أ) بذرة (ب) صلبًا في الاتجاه الأفقي بالنسبة للذرة (أ)، فإنه سيكون لينًا في الاتجاه الرأسي بالنسبة للذرة (ب).

يخلق هذا التفاوت في الصلابة عدم توازنًا دقيقًا. فعندما تهتز الذرات، فإنها تضطرب ببعضها البعض باستمرار. ولأن النوابض أكثر صلابة في بعض الاتجاهات منها في غيرها، فإن الذرات لا تتحرك في تزامن تام. وجد الباحثون أن الذرات الموجودة على الجوانب "اللينه" من النوابض تتحرك بسهولة أكبر وبارتباطات أكبر من تلك الموجودة على الجوانب "الصلبة". هذا الاختلاف في الحركة يخلق دفعًا وسحبًا صافيًا يؤدي إلى انتقال الزخم الزاوي من ذرة إلى جارتها. الأمر يشبه شخصين على أرجوحة (سيسو) حيث يكون أحد الجانبين أكثر مرونة بكثير من الآخر؛ فحتى لو كانا جالسين فقط، فإن الاختلاف في كيفية استجابتهما لدَفعة صغيرة يخلق حركة اتجاهية متميزة. في البلورة، يحدث هذا الانتقال الاتجاهي بين كل زوج من الجيران، ولكن نظرًا لأن البلورة متماثلة، فإن اتجاه التدفق ينعكس من مربع شبكي صغير إلى الذي يليه.

بنى الباحثون نموذجًا رياضيًا مفصلاً لهذا النظام، بدأ بشبكة معقدة من الذرات والنوابض تحاف م المواد الحقيقية مثل بعض مركبات الأوكسي-سيلينيد والموصلات الفائقة من نوع الكوبرات. ثم قاموا بتبسيط هذه الشبكة للتركيز على التفاعلات الجوهرية، وحساب كيفية تحرك الذرات بدقة في أدنى حالة طاقة لها، والمعروفة باسم الحالة الأرضية، وكذلك في درجات الحرارة الأعلى. أظهرت حساباتهم أن تدفق الزخم الزاوي يستمر في كلتا الحالتين. في الحالة الأرضية، يكون الدوران مدفوعًا بالتقلبات الصفرية، وهي الحركة الكمية التي لا يمكن تجنبها والتي توجد حتى عند الصفر المطلق. وعند درجات الحرارة الأعلى، تضيف الطاقة الحرارية إلى هذه الحركة، لكن نمط الحلقات يظل كما هو. يتم الحفاظ على التدفق بواسطة البنية الداخلية للبلورة، والتي تعمل كدليل، حيث تنظم الاهتزازات العشوائية للذرات في نمط دوراني متماسك.

إن ما يجعل هذا الاكتشاف مهمًا بشكل خاص هو أنه يتحدى فكرة أن البلورة المتماثلة يجب أن تكون مضيفًا سلبيًا للنشاط الإلكتروني أو المغناطيسي. عادةً، عندما يبحث العلماء عن تيارات دورانية، فإنهم يبحثون عن كسر التماثل، حيث تختار المادة اتجاهًا محددًا لكسر توازنها. هنا، يتم الحفاظ على التماثل تمامًا. لا تحتاج البلورة إلى اختيار جانب؛ إذ ينشأ الدوران طبيعيًا من الطريقة التي تترتب بها الذرات وكيفية تفاعلها. حدد الباحثون أيضًا طريقتين متميزتين يمكن أن يحدث من خلالهما هذا الدوران. تأتي إحدى الطريقتين من الفرق في الصلابة بين النوابض الأفقية والرأسية، مما يخلق عدم توازن في كيفية تحرك الذرات عبر الرابطة. وتأتي الطريقة الأخرى من تفاعل أكثر دقة، وهو تفاعل التوائي بين الذرات، يشبه القوة التي تجعل الدوار (البلبل) يترنح. تعتمد كلتا الآليتين على الميزة الأساسية نفسها: وهي أن البيئة المحلية للذرات ليست موحدة تمامًا، رغم أن البلورة ككل تبدو متماثلة من كل زاوية.

استكشفت الدراسة أيضًا ما إذا كان يمكن اكتشاف هذا الدوران. أشار الباحثون إلى أنه نظرًا لأن التدفق هو نتيجة لمواضع الذرات وسرعاتها، فإنه يترك بصمة محددة في كيفية ارتباط هذه الذرات ببعضها البعض. وبينما يكون متوسط الدوران عند أي نقطة صفرًا، فإن الطريقة التي يرتبط بها الدوران عند نقطة ما بالدوران عند جارها ليست كذلك. هذا الارتباط هو البصمة المميزة للحلقة الخفية. ويقترح الباحثون أن التجارب المستقبلية يمكن أن تبحث عن هذه الأنماط المحددة، ربما باستخدام تقنيات تشتت متقدمة يمكنها فحص حركة الذرات بدقة عالية. كما يشيرون إلى أن هذه الظاهرة قد تكون ذات صلة بفهم مواد مثل الكوبرات، حيث يُعتقد أن أنماطًا مماثلة من الحركة الذرية تلعب دورًا في الموصلية الفائقة عند درجات الحرارة العالية. فإذا كانت الشبكة نفسها تستطيع تنظيم هذه التدفقات الدورانية، فقد تكون هي من يؤثر على سلوك الإلكترونات المتحركة من خلالها، مما قد يساعد في استقرار حالات المادة الغريبة التي يحاول العلماء تسخيرها.

في النهاية، يكشف هذا العمل عن طبقة جديدة من التعقيد في سلوك المواد الصلبة. فهو يوضح أن الهندسة الداخلية للبلورة يمكن أن تفعل أكثر من مجرد تثبيت الذرات في مكانها؛ إذ يمكنها تنظيم حركتها في تيارات دورانية مستمرة دون أي محرك خارجي. البلورة ليست مجرد مسرح ثابت لدراما الفيزياء؛ بل هي مشارك نشط، يشكل تدفق الطاقة والزخم بطرق تم التغاضي عنها سابقًا. يشير اكتشاف هذه الحلقات الخفية إلى أنه لا يزال هناك الكثير لتعلمه عن حالات التوازن الهادئة للمادة، حيث يمكن لأدق التفاعلات أن تؤدي إلى أكثر التدفقات استمرارًا.