Long-lived nonequilibrium spin configuration induced by dual optical excitation

غالبًا ما يُنظر إلى المغناطيسية على أنها خاصية ثابتة، صفة دائمة للمواد مثل الحديد توجد ببساطة. ولكن في الواقع، الحالة المغناطيسية للمادة هي توازن ديناميكي، صراع مستمر بين لفات الإلكترونات الصغيرة وحرارة البيئة المحيطة. عندما يسلط العلماء نبضة ليزر قوية فائقة السرعة على مادة مغناطيسية، يمكنهم تعطيل هذا التوازن في جزء من الثانية، مما يجبر المادة على الدخول في حالة بعيدة عن توازنها الطبيعي. يهدف هذا المجال من الدراسة، المعروف باسم المغناطيسية فائقة السرعة، إلى فهم كيفية تفاعل هذه اللفات واستقرارها مرة أخرى. ويكمن التحدي في سرعة العملية: ففي المعادن، تنتشر الطاقة من نبضة الليزر وتتحول إلى حرارة بشكل فوري تقريبًا، عادةً في غضون بضعة تريليونات من الثانية. وبمجرد حدوث ذلك، تسلك المادة سلوك جسم ساخن يبرد، وتتلاشى الحالات الفريدة غير الحرارية التي قد تسمح بطرق جديدة للتحكم في المغناطيسية. لعقود من الزمن، كافح الباحثون لإيجاد طريقة للحفاظ على هذه الحالات الخاصة غير الحرارية حية لفترة كافية لتكون مفيدة، حيث أن الميل الطبيعي للنظام هو العودة إلى توازن حار بسيط.

لقد اكتشف فريق من الباحثين الآن طريقة لتجاوز هذه العودة السريعة إلى الحرارة باستخدام خدعة محددة بالضوء. فبدلاً من ضرب طبقة رقيقة من سبيكة مغناطيسية تسمى GdFeCo بنبضة ليزر واحدة، قاموا بضربها بنبضتين في نفس الوقت تمامًا. المادة التي درسوها هي طبقة غير متبلورة (amorphous)، مما يعني أن ذراتها مرتبة عشوائيًا بدلاً من شبكة بلورية، وهي تمتلك خاصية فريدة تتمثل في إمكانية التحكم في مغناطيسيتها بسهما بواسطة الضوء. ومن خلال ضبط قوة هاتين النبضتين المتزامنتين بعناقة، لاحظ العلماء شيئًا غير متوقع: لم تكتفِ اللفات المغناطيسية بالتسخين والاستقرار بسرعة فحسب، بل دخلت في حالة استمر فيها تذبذبها، أو اهتزازها، لمئات البيكو ثانية — مئات التريليونات من الثانية — لفترة أطول من المعتاد. يشير هذا الوضع المطول إلى أن المادة كانت محتجزة في تكوين محدد غير حراري لا يحدث عندما تُضرب المادة بنبضة واحدة، حتى لو كانت كمية الطاقة المقدمة هي نفسها.

صُممت التجربة للتمييز بين سببين محتملين لهذا السلوك الغريب. فعندما يصطدم شعاعا ليزر بسطح بزوايا مختلفة قليلاً، فإنهما يخلقان نمطًا من الخطوط المضيئة والمظلمة، تمامًا مثل التموجات الناتجة عند إلقاء حجرين في بركة. هذا النمط يعني أن بعض أجزاء المادة تصبح أكثر سخونة من غيرها، مما قد يؤدي نظريًا إلى فقدان اللفات المغناطيسية لإيقاعها بمعدلات مختلفة، مما يجعل الإشارة الكلية تبدو وكأنها تخمد بسرعة أكبر. كان الباحثون يعلمون أن هذا "التلاشي المغناطيسي الساكن" (magnetostatic dephasing) هو تأثير حقيقي يحدث في وقت مبكر، لكنهم احتاجوا لمعرفة ما إذا كان هناك شيء آخر يحدث لاحقًا. لقد أعدوا ترتيبًا متماثلًا حيث يمكنهم تغيير شدة شعاع ليزر واحد تدريجيًا مع إبقاء الآخر ثابتًا، مما يؤدي فعليًا إلى الانتقال من سيناريو النبضة الواحدة إلى سيناريو النبضتين. ووجدوا أنه عند نطاق محدد جدًا من الطاقة الإجمالية، تغير سلوك المادة بشكل كبير؛ حيث أصبح التذبذب المغناطيسي أكثر استقرارًا بكثير، واستمر لفترة أطول بكثير من أي نطاق طاقة آخر، كما انزاح تردده قليلًا نحو الأعلى.

هذا النطاق المحدد من الطاقة هو مفتاح الاكتشاف. فلو كان التأثير ناتجًا ببساطة عن نمط الحرارة أو إجمالي الطاقة، لحدثت التغييرات تدريجيًا مع زيادة الطاقة. وبدلاً من ذلك، رأى الباحثون تغيرًا حادًا ومتميزًا لا يحدث إلا عند وجود كلا النبضتين معًا. لقد قاموا بقياس مدة هذا التأثير من خلال تحليل الإشارة في نوافذ زمنية منزلقة، بالانتقال من اللحظات الأولى بعد ضرب الليزر إلى عدة مئات من البيكو ثانية. ووجدوا أن الاضطراب الأولي الناتج عن نمط الحرارة يتلاشى بسرعة، في غضون حوالي 100 بيكو ثانية. ومع ذلك، فإن الاستقرار المعزز للتذبذب المغناطيسي استمر طوال مدة قياسهم، واستمر لمدة 300 بيكو ثانية على الأقل. هذا المدة الطويلة تثبت أن التأثير ليس مجرد ارتباك مؤقت ناتج عن التسخين غير المتساوي، بل هو تغيير جوهري في كيفية استرخاء المادة. لقد تم "حبس" المادة فعليًا في حالة حيث يمكن لللفات أن تستمر في الحركة بانسجام لفترة أطول بكثير مما يسمح به الفيزياء عادةً.

لفهم ما كان يحدث داخل المادة، نظر الباحثون في القواعد المجهرية التي تحكم كيفية فقدان الإلكترونات لِلفتها. في المعادن، ترتد الإلكترونات عادةً عن الذرات أو الإلكترونات الأخرى، وخلال هذه الاصطدامات، تكون هناك فرصة صغيرة لأن تعكس الإلكترونات اتجاه لفتها، مما يؤدي إلى انهيار النظام المغبناطيسي. وتُحكم هذه العملية بمعامل يصف مدى سهولة اختلاط اللفة بحركة الإلكترون. وجد الباحثون أن الإثارة بالنبض المزدوج يبدو أنها تقلل من احتمالية هذا الاختلاط. وبعبارة أبسط، بدا أن الليزرين يعملان معًا لخلق بيئة إلكترونية تكون فيها الإلكترونات أقل عرضة لعكس اتجاه لفتها أثناء الاصطدامات. هذا التقليل في انعكاس اللفات سمح للحركة المغناطيسية الجماعية بالبقاء لفترة أطول بكثير. وحقيقة أن تردد التذبذب زاد أيضًا قليلاً تشير إلى أن هذا لم يكن تأثيرًا حراريًا، لأن تسخين المغناطيس يجعل تذبذبه أبطأ عادةً، وليس أسرع.

تستبعد الدراسة فكرة أن هذا مجرد نتيجة لزيادة سخونة المادة أو تداخل النمط المكاني للضوء مع القياس. أظهر الباحثون أن التأثير قابل للتكرار ويعتمد على المسار المحدد الذي يسلكه الضوء لإثارة المادة، وليس فقط على إجمالي الطاقة المودعة. كما استبعدوا احتمال أن تكون الإشارة مزيجًا مربكًا من ترددات مختلفة، مؤكدين أن المادة كانت تتذبذب كوحدة واحدة متماسكة. تشير النتائج إلى أنه من خلال استخدام مجالين ضوئيين مترابطين في آن واحد، يمكن للعلماء توجيه الحالة الإلكترونية للمادة نحو تكوين لا يمكن الوصول إليه بنبضة واحدة. هذا التكوين هو حالة طويلة الأمد، غير متوازنة، حيث تتغير قواعد استرخاء اللفة مؤقتًا.

يفتح هذا العمل منظورًا جديدًا حول كيفية التحكم في المواد المغناطيسية. فهو يوضح أن الطريقة التي يتم بها تقديم الطاقة — المسار المحدد وتوقيت الإثارة — تهم بقدر ما تهم كمية الطاقة نفسها. ومن خلال اختيار المزيج الصحيح من نبضات الضوء، يمكن الوصول إلى حالات خفية للمادة لا تتوفر عبر التسخين التقليدي أو الإثارة بنبضة واحدة. وبينما تظل التفاصيل المجهرية الدقيقة لكيفية تفاعل مجالي الضوء لإنشاء هذه الحالة موضوعًا للأبحاث المستقبلية، فإن النتيجة واضحة: توفر طريقة النبض المزدوج أداة جديدة لهندسة الخصائص المغناطيسية. وهذا يشير إلى أنه في المستقبل، قد نتمكن من استخدام الضوء ليس فقط لتسخين أو تبديل المغناطيسات، بل لاستقرار حالات مغناطيسية محددة لفترات أطول، مما قد يؤدي إلى طرق جديدة لمعالجة المعلومات أو تخزين البيانات تعمل وفق جداول زمنية ومبادئ كانت تُعتبر مستحيلة سابقًا.