First-principles-based search for emergent topological spin textures in transition-metal dichalcogenide monolayers

تخيل عالماً لا تُخزن فيه المعلومات كبتات كهربائية ثابتة، بل كعقد مغناطيسية صغيرة دوارة. في عالم الفيزياء الحديثة، تُعرف هذه العقد بالأنماط المغناطيسية الطوبولوجية (topological spin textures). إنها تشبه الدوامات المجهرية في بحر من الذرات المغناطيسية، حيث يلتوي وينحني اتجاه كل ذرة في نمط مستمر ومحمي. ولأن هذه الأنماط "طوبولوجية"، فهي مستقرة بشكل ملحوظ؛ إذ لا يمكن فك تشابكها أو محوها بسهولة بفعل الاضطرابات الطفيفة، تماماً مثل عقدة في حبل تظل صامدة حتى عندما يتم هز الحبل. يهتم العلماء بشدة بهذه الهياكل لأنها يمكن أن تعمل كبنات بناء لجيل جديد من أجهزة الذاكرة والمنطق التي ستكون أسرع وأصغر وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة من أي شيء نملكه اليوم. ومع ذلك، فإن العثور على المادة المناسبة لاستضافة هذه العقد المغناطيسية كان بمثابة لغز صعب. وتكمن الصعوبة في أن هذه الأنماط تنشأ من توازن دقيق ومعقد للقوى بين الذرات، وهي قوى غالباً ما تكون خفية للغاية بحيث يصعب التنبؤ بها دون النظر إلى المادة عند مستواها الأكثر جوهرية.

لقد تصدى فريق من الباحثين لهذا التحدي عبر تطوير طريقة جديدة قوية للبحث عن هذه المواد. فقد ركزوا على عائلة كبيرة من المواد ثنائية الأبعاد تسمى "ثنائيات كالكوجينيدات المعادن الانتقالية" (transition-metal dichalcogenides). وهي عبارة عن طبقات منفردة من الذرات، لا يتجاوز سمكها بضع ذرات، تتكون من معدن انتقالي محصور بين طبقتين من الكبريت أو السيلينيوم أو التيلوريوم. بعض هذه الطبقات متجانسة، بينما البعض الآخر عبارة عن هياكل "يانوس" (Janus)، حيث تتكون الطبقة العليا والسفلية من عناصر مختلفة، مما يؤدي إلى كسر تماثل المادة بطريقة تشجع على تكوين هذه العقد المغناطيسية. وقد سعى الباحثون لفحص مئات هذه التركيبات المحتملة لمعرفة أي منها يمكنه طبيعياً تثبيت الحالات المغناطيسية الدوارة التي يبحثون عنها.

وللقيام بذلك، ابتكر الفريق سير عمل حسابي متعدد الخطوات يعمل كمرشح عالي السرعة. أولاً، استخدموا طريقة تسمى "نظرية دالة الكثافة" (density functional theory) لحساب البنية الإلكترونية الأساسية وطاقة 312 مرشحاً مختلفاً من المواد. نجحت هذه الشاشة الأولية في استبعاد معظم الخيارات، تاركةً 54 مادة فقط أظهرت وعوداً باستضافة حالات مغناطيسية. وبالنسبة لهذه المواد الناجية، طبق الباحثون تقنية تسمى "نظرية القوة المغناطيسية". سمحت لهم هذه التقنية بحساب القوى المغناطيسية المحددة المؤثرة بين الذرات دون الحاجة إلى محاكاة المادة بأكملها من الصفر في كل مرة. وقد حددوا مدى قوة رغبة الذرات في الاصطفاف مع بعضها البعض، وكيف تميل للالتواء بسبب التأثيرات النسبية، ومدى مقاومتها لتغيير اتجاهها. وأخيراً، أجروا عمليات محاكاة ذرية ضخمة، وهي بمثابة إنشاء ساحة لعب افتراضية تضم آلاف الذرات المغناطيسية، لمراقبة كيفية ترتيب نفسها بمرور الوقت. ومن خلال البدء من العديد من الترتيبات العشوائية وترك النظام يستقر، تمكنوا من رؤية أي الأنماط المغناطيسية هي الأكثر استقراراً والأكثر عرضة للتشكل في العالم الحقيقي.

أسفر البحث عن حصاد غني من المرشحين الجدد. فقد حدد الباحثون أربع مواد محددة تثبت "السكيرميونات" (skyrmions)، وهي النوع الأكثر شهرة من هذه العقد المغناطيسية. وهذه المواد هي: 2H-RuSSe، و1T-VSSe، و2H-TcSTe، و1T-FeSTe. في هذه الأنظمة، تدور العزوم المغناطيسية حول مركز، مما يخلق شحنة طوبولوجية متميزة. وقد كشفت الدراسة أن السبب وراء تشكل هذه السكيرميونات ليس هو نفسه دائماً؛ ففي بعض الحالات، يكون نوع معين من التفاعل يُعرف باسم "تفاعل دزيالوشينسكي-موريا" (Dzyaloshinskii-Moriya interaction)، والذي ينشأ من غياب التماثل في البلورة، هو المحرك الأساسي الذي يجبر المغازل على الالتواء. وفي حالات أخرى، يكون التنافس بين القوى المغناطيسية المختلفة هو ما يخلق حالة من "الإحباط" (frustration)، مما يمنع المغازل من الاصطفاف في خط مستقيم بسيط ويجبرها بدلاً من ذلك على اتخاذ شكل دوار.

وإلى جانب السكيرميونات البسيطة، اكتشف الفريق مواد تستضيف "البيميرونات" (bimerons). وهي تشبه السكيرميونات ولكنها موجهة بشكل مختلف، حيث تقع نواتها المغناطيسية بشكل مسطح داخل مستوى المادة بدلاً من التوجه للأعلى والأسفل. وقد وُجدت أربعة مركبات تدعم هذه الهياكل وهي: 1T-FeSeTe، و1T-CrSeTe، و1T-RuS2، و2H-FeS2. كما وجد الباحثون فئة رابعة من المواد التي تشكل أنماط نطاقات تشبه المتاهة. وتبدو هذه الأنماط كشبكة معقدة ومتعرجة من الخطوط المغناطيسية. وفي مواد مثل 2H-FeSTe و1T-MnS2، لا تكون هذه الأنماط المتاهية ثابتة فحسب، بل يمكن تحويلها إلى سكيرميونات عند تطبيق مجال مغناطيسي خارجي. وتعد هذه القدرة على التبديل بين الحالات المغناطيسية المختلفة باستخدام مجال بسيط ميزة حاسمة للتطبيقات التقنية المحتملة.

كما بحثت الدراسة في المواد التي تفضل فيها الذرات الاصطفاف في نمط "مضاد للفيرومغناطيسية" (antiferromagnetic)، مما يعني أن المغازل المتجاورة تشير إلى اتجاهات متعاكسة. وحتى في هذه الأنظمة، وجد الباحثون أنسجة معقدة مثل الدوامات (vortices) والحلزونات (spirals)، لا سيما في المركبات التي تحتوي على المنجنيز والكروم. وكانت الرؤية الرئيسية لهذا العمل هي أهمية النظر إلى ما وراء الجيران المباشرين للذرة. فقد وجد الباحثون أن القوى المغناطيسية الممتدة إلى الجيران الثاني والثالث تلعب دوراً حاسماً في تحديد ما إذا كانت هذه الأنسجة المعقدة ستتشكل أم لا. وإذا تم تجاهل هذه القوى طويلة المدى، فإن عمليات المحاكاة غالباً ما تتنبأ بالحالة المغناطيسية الخاطئة، مما يسلط الض الضوء على أن الصورة الكاملة تتطلب مراعاة شبكة التفاعلات بأكملها، وليس فقط الأقرب منها.

وقد تحقق الباحثون من موثوقية نهجهم الحسابي من خلال التحقق من أن التفاعلات المغناطيسية المحسوبة تتبع القواعد الفيزيائية الراسخة المتعلقة بالتماثل. كما لاحظوا أنه بينما أُجريت عمليات المحاكاة عند درجة الصفر المطلق، فإن الفروق في الطاقة بين الأنسجة المعقدة والحالات المغناطيسية البسيطة كانت صغيرة بما يكفي لتسمح لهذه الهياكل بالاستمرار في درجات حرارة أعلى، وربما في درجة حرارة الغرفة، تحت الظروف المناسبة. والعديد من المواد المتوقعة في هذه الدراسة، بما في ذلك بعض هياكل "يانوس"، قد تم تصنيعها بالفعل في المختبرات، مما يشير إلى أن المسار من هذا الاكتشاف النظري إلى التحقق التجريبي قصير جداً. ومن خلال توفير خريطة واضحة للمواد التي تستضيف أي أنسجة مغناطيسية وشرح القوى الفيزيائية الكامنة وراءها، يقدم هذا العمل إطاراً عملياً لتسريع اكتشاف المواد المغناطيسية الجديدة. إنه ينقل المجال من مرحلة التجربة والخطأ إلى توفير قائمة مستهدفة من المرشحين الذين يمكن لعلماء التجارب الآن اختبارهم لبناء الجيل القادم من التقنيات القائمة على دوران المغازل (spin-based technologies).