Field-driven phase transition crossover in kagome antiferromagnet Mn$_{3-x}$Co$_x$Sn

غالباً ما يُنظر إلى المغناطيسية على أنها مجرد مفتاح بسيط بين التشغيل والإيقاف، ولكن في بعض المواد، تكون القصة أكثر تعقيداً بكثير. ففي أعماق البنية الذرية لبعض المواد الصلبة، تترتب أسهم مغناطيسية صغيرة تُسمى "السبينات" (spins) في أنماط معقدة، ويمكن لهذه الأنماط أن تتغير بشكل جذري عند تغير درجة الحرارة أو عند تطبيق مجال مغناطيسي خارجي. وعندما تحدث هذه التغيرات، تمتص المادة الحرارة أو تطلقها، وهي ظاهرة تُعرف باسم التأثير الكالوريمي المغناطيسي (magnetocaloric effect). هذا التأثير هو المحرك وراء التبريد المغناطيسي، وهي تقنية تعد بتبريد الأشياء دون استخدام الغازات الضارة المستخدمة في الثلاجات التقليدية. ومع ذلك، لكي يتم تسخير هذه القوة، يحتاج العلماء إلى فهم كيفية حدوث هذه التحولات المغناطيسية بدقة. هل هي تغيرات سلسة وتدريجية، أم قفزات مفاجئة وحادة؟ إن الفرق يهم للغاية في تصميم أجهزة تبريد فعالة، وهنا يصبح سلوك عائلة محددة من المواد تسمى "مغناطيسات كاغومي المضادة للفيرومغناطيسية" (kagome antiferromagnets) لغزاً رائعاً.

في دراسة حديثة، وجه الباحثون في المعهد الهندي للتكنولوجيا في كانبور اهتمامهم إلى بلورة تُسمى Mn3Sn. تشتهر هذه المادة ببنيتها الداخلية الفريدة، حيث تقع ذرات المنجنيز عند زوايا المثلثات التي تشكل نمطاً يشبه قرص العسل يُعرف باسم "شبكة كاغومي". عند درجة حرنية الغرفة، تترتب السبينات المغناطيسية في هذه البلورة في بنية مثلثية غير متوافقة (non-collinear)، مما يعني أنها تشير إلى اتجاهات مختلفة ضمن نفس المستوى بدلاً من الاصطفاف بشكل منظم. ومع تبريد البلورة، تمر بتحول حيث تعيد هذه السبينات ترتيب نفسها في نمط حلزوني. يحدث هذا التحول عند درجة حرارة محددة، حوالي 278 كلفن، وهو حدث حاد ومفاجئ. أراد الباحثون معرفة ما إذا كان بإمكانهم ترويض هذه الحدة وربما تغيير طبيعة التحول من خلال تغيير "وصفة" البلورة قليلاً.

لاختبار ذلك، قام الفريق بتنمية بلورات أحادية عالية الجودة من Mn3Sn ثم صنعوا نسخة جديدة عن طريق استبدال جزء صغير من ذرات المنجنيس بالكوبالت. وقد حافظوا على تركيز الكوبالت منخفضاً، عند 8 بالمائة فقط، لضمان بقاء بنية كاغومي الأساسية سليمة مع إدخال تغييرات طفيفة في الوقت نفسه. كانت النتائج مذهلة. ففي البلورة النقية، كان التحول المغناطيسي عند 278 كلفن عبارة عن قفزة حادة ومفاجئة، وهي سمة مميزة لتحول طوري من الدرجة الأولى (first-order phase transition). وغالباً ما يصاحب هذا النوع من التغيير المفاجئ ظاهرة "التلاكؤ الحراري" (thermal hysteresis)، مما يعني أن المادة تتصرف بشكل مختلف قليلاً عند التسخين مقارنة بما هي عليه عند التبريد، تماماً كما قد يعلق الباب عندما تدفعه ولكن ينزلق بسلاسة عندما تسحبه. كما أظهرت البلورة النقية نوعاً معيناً من الاستجابة المغناطيسية حيث انخفضت "الإنتروبيا" (entropy)، أو الاضطراب، بطريقة تُعتبر "عكسية" لما هو متوقع عادة في المواد المغناطيسية القياسية المستخدمة في التبريد.

عند إضافة الكوبالت، تغيرت القصة تماماً. انخفضت درجة حرارة التحول الحادة بشكل كبير إلى 175 كلفن، وظهر سلوك مغناطيسي جديد وأضعف حول 210 كلفن. لقد أدت ذرات الكوبالت، كونها أصغر قليلاً من المنجنيس الذي استبدلته، إلى ضغط الشبكة البلورية، مما تسبب في انكماشها. هذا الضيق الفيزيائي غير الطريقة التي تتفاعل بها الذرات مع بعضها البعض، مما أدى فعلياً إلى كسر التماثل المثالي لنمط كاغومي. أدى كسر هذا التماثل إلى إحداث حالة مغناطيسية جديدة حيث تميل السبينات قليلاً خارج مستواها المسطح، مما خلق طابعاً فيرومغناطيسياً ضعيفاً. وبدلاً من القفزة الحادة والمفاجئة التي شوهدت في البلورة النقية، أظهرت النسخة المطعمة بالكوبالت تحولاً أكثر اتساعاً وسلاسة. ومع ذلك، لاحظ الباحثون أن التلاكؤ الحراري، الذي كان علامة واضحة على القفزة المفاجئة في العينة النقية، ظل مستمراً في العينة المطعمة عند المجالات المنخفضة، مما يشير إلى أن سمة التحول الطوري من الدرجة الأولى ظلت موجودة عبر نطاق واسع من درجات الحرارة قبل أن تتطور تحت المجالات الأعلى.

الاكتشاف الأكثر أهمية، مع ذلك، كان كيفية استجابة المادة لمجال مغناطيسي خارجي. في البلورة النقية، لم يغير تطبيق مجال مغناطيسي الطبيعة الأساسية للتحول؛ فقد ظل حدثاً حاداً من الدرجة الأولى بغض النظر عن قوة المجال. ولكن في البلورة المطعمة بالكوبالت، عمل المجال المغناطيسي كمفتاح. ففي مستويات شدة المجال المنخفضة، ظل التحول يتصرف مثل قفزة حادة. ومع ذلك، عندما زاد الباحثون من شدة المجال المغناطيسي، بدأ التحول في التصبح أكثر سلاسة. وفوق حد معين، لم تختفِ القفزة الحادة تماماً، بل أفسحت المجال لعملية "عبور" (crossover)، حيث أظهرت المادة مزيجاً من السلوكيات، لتتطور في النهاية إلى تحول مستمر من الدرجة الثانية. وهذا يعني أنه يمكن ضبط المادة من نوع واحد من السلوك المغناطيسي إلى نوع آخر ببساطة عن طريق تعديل شدة المجال المغناطيسي المطبق عليها.

ولتأكيد هذا العبور، قام الفريق بتحليل كيفية تغير الإنتروبيا المغناطيسية عبر درجات حرارة وشدات مجالات مختلفة. ووجدوا أنه في البلورة النقية، تشتتت نقاط البيانات على نطاق واسع عند تغيير المقياس، وهي سمة لنمط انتقال حاد من الدرجة الأولى. في المقابل، أظهرت البلورة المطعمة بالكوبالت "انهياراً" ملحوما لنقاط البيانات لتستقر على منحنى واحد شامل عندما يكون المجال المغناطيسي قوياً بما يكفي. هذا الانهيار هو العلامة المميزة لتحول سلس من الدرجة الثانية، رغم أن البيانات عند المجالات المنخفضة أشارت إلى وجود تعايش بين خصائص الدرجة الأولى والدرجة الثانية. وقد رسم الباحثون هذه النتائج في مخطط طوري جديد، يوضح بوضوح الحدود التي تتحول عندها المادة من انتقال حاد من الدرجة الأولى إلى انتقال سلس من الدرجة الثانية. يشير هذا العبور المدفوع بالمجال إلى أنه من خلال اختيار كمية الكوبالت وشدة المجال المغناطيسي بعناية، يمكن للعلماء التحكم في رتبة التحول الطوري.

تتجاوز آثار هذا العمل مجرد فهم بلورة واحدة. فهي تثبت أن رتبة التحول الطوري المغناطيسي ليست خاصية ثابتة للمادة، بل يمكن التلاعب بها من خلال التطعيم الكيميائي والمجالات الخارجية. وبالنسبة لمجال التبريد المغناطيسي، تعد هذه رؤية بالغة الأهمية. فالمواد التي تمر بتحولات سلسة من الدرجة الثانية غالباً ما تكون مفضلة لتطبيقات التبريد لأنها يمكن أن تعمل عبر نطاق أوسع من درجات الحرارة دون الخسائر المرتبطة بالقفزات الحادة. وتظهر الدراسة أنه من خلال إدخال كمية صغيرة من الكوبالت في Mn3Sn، يمكن هندسة المادة لتظهر هذه التحولات السلسة المرغوبة تحت الظروف المناسبة. لقد نجح الباحثون في تنمية هذه البلورات، وقياس خصائصها بدقة عالية، وبناء خريطة مفصلة لكيفية سلوكها، مما يوفر مساراً واضحاً للاستكشاف المستقبلي في المواد المغناطيسية.