The spin-transfer inverse Faraday effect in Au/YIG thin film bilayers

يحمل الضوء أكثر من مجرد طاقة؛ إنه يحمل التواءً. فعندما تدور موجات الضوء أثناء انتقالها، وهي خاصية تُعرف بالاستقطاب الدائري، فإنها تمتلك زخماً زاوياً، تماماً مثل النحلة الدوارة. لعقود من الزمن، عرف العلماء أنه إذا سلطت هذا الضوء الدوار على مواد معينة، فإنه يمكنه دفع المغانط الصغيرة داخلها، مما يخلق مجالاً مغناطيسياً دون الحاجة إلى تيارات كهربائية. هذه الظاهرة، التي تسمى تأثير فاراداي العكسي، توفر وسيلة للتحكم في المغناطيسية باستخدام الضوء، مما قد يؤدي إلى أجهزة كمبيوتر أسرع وأبرد من الأجهزة الحالية. ومع ذلك، كان التحكم في هذا الأمر صعب التحقيق في العوازل المغناطيسية، وهي مواد لا توصل الكهرباء ولكنها ممتازة في حمل المعلومات المغناطيسية. هذه المواد حاسمة للتكنولوجيا المستقبلية لأنها تهدر القليل جداً من الطاقة، لكنها أيضاً عنيدة؛ فهي لا تمتص الضوء بسهولة، مما يجعل من الصعب استخدام الضوء لتغيير حالتها المغناطيسية مباشرة.

وجد باحثون في جامعة ولاية أوهايو والجامعة الدولية في فلوريدا حلاً ذكياً لهذه المشكلة من خلال بناء "ساندوتش" من مادتين مختلفتين. فقد وضعوا طبقة رقيقة من الذهب، وهو معدن يتفاعل بقوة مع الضوء، مباشرة فوق طبقة رقيقة من غارنيت الإيتريوم والحديد، وهو عازل مغناطيسي. ومن خلال تسليط نبضة من ضوء الأشعة تحت الحمراء على الذهب، تمكنوا من نقل طاقة دوران الضوء إلى الذهب، والذي قام بعد ذلك بنقل تلك الطاقة عبر الحدود إلى العازل المغناطيسي. هذه العملية، التي يسمونها تأثير فاراداي العكسي لنقل اللف، سمحت لهم بالتلاعب بالمغناطيسية في العازل باستخدام الضوء، على الرغم من أن طاقة الضوء كانت أقل من أن يمتصها العازل نفسه. وقد أثبت الفريق أن هذه الطريقة تعمل على مقياس النانومتر، حيث تغير الحالة المغناطيسية للعازل في غضون بضعة تريليونات من الثانية فقط، وفعلوا ذلك دون تسخين المادة بشكل كبير، وهو مشكلة شائعة في الطرق الأخرى.

لفهم كيفية عمل ذلك، يجب أولاً النظر في المواد نفسها. فقد قام الباحثون بتنمية أفلام رقيقة للغاية من غارنيت الإيتريوم والحديد، يبلغ سمكها عشرة وخمسة عشر نانومتراً فقط، على قاعدة بلورية. ثم قاموا بترسيب طبقة بسمك خمسة نانومترات من الذهب فوقها. ولاختبار إعدادهم، استخدموا نظام ليزر متخصص يطلق شعاعين من الضوء: شعاع "ضخ" قوي لإثارة المادة وشعاع "مسبار" أضعف لقياس ما حدث. كان بإمكانهم تغيير استقطاب شعاع الضخ، بجعله يدور لليسار أو لليمين، أو إبقائه مستقيماً. وعندما أطلقوا شعاعاً مستقيماً غير دوار على طبقة الذهب، ارتفحت المادة قليلاً. تسبب هذا الحرارة في تدفق معلومات مغناطيسية من العازل إلى المعدن، وهو تأثير معروف يسمى تأثير سيبك الطولي لللف. وقد عمل هذا كخط أساس، موضحاً كيف تتواصل المادتان عندما يتعلق الأمر بالحرارة فقط.

جاء الاكتشاف الحقيقي عندما انتقلوا إلى الضوء الدوار. فعندما سلطوا ضوءاً يدور نحو اليمين، ولدت طبقة الذهب نوعاً معيناً من الدفع المغناطيسي. وعندما غيروا الضوء ليدور نحو اليسار، ذهب الدفع في الاتجاه المعاكس. ومن خلال مقارنة هذين الدفعين المتعاكسين، استطاع الفريق عزل التأثير الناتج عن التواء الضوء الصرف، وإزالة الضوضاء الخلفية الناتجة عن التسخين البسيط. ووجدوا أن هذا الضوء الملتوي خلق إشارة مغناطيسية في الذهب كانت أقوى بكثير مما رأوه في الذهب وحده. والأهم من ذلك، أن هذه الإشارة لم تكن تبقى في الذهب فحسب؛ بل كانت تعبر الحدود وتغير مغناطيسية غارنيت الإيتريوم والحديد الموجود تحتها.

كان الباحثون حذرين لإثبات أن هذا التغيير ليس مجرد أثر جانبي لتسخين الضوء للعينة. فقد قاموا بقياس كيفية تغير الإشارة مع زيادة قدرة الليزر. فلو كان التأثير حرارياً بحتاً، لنمَت الإشارة بطريقة محددة ومتوقعة مرتبطة بكيفية انتشار الحرارة. وبدلاً من ذلك، وجدوا أن الإشارة نمت وفق نمط يطابق سلوك الموجات المغناطيسية، المعروفة باسم "الماغنون"، داخل العازل. وهذا أكد أن الضوء كان يثير مباشرة النظام المغناطيسي للعازل من خلال الذهب، بدلاً من مجرد تسخينه. كما لاحظوا أن الحالة المغناطيسية للعازل انقلبت أو انزاحت اعتماداً على اتجاه دوران الضوء، وهي علامة واضحة على أن الزخم الزاوي للفوتونات قد تم نقله إلى اللفات المغناطيسية للمادة.

هذه التجربة مهمة لأنها تظهر طريقة جديدة للتحكم في العوازل المغناطيسية، والتي تعد اللبنات الأساسية لأجهزة الذاكرة والمنطق منخفضة الطاقة في المستقبل. سابقاً، كان التحكم في هذه المواد يتطلب ليزرات عالية القدرة أو طبقات سميكة من المواد، مما جعلها غير عملية للمكونات الإلكترونية الصغيرة والسريعة. أظهر الفريق أنه يمكنهم تحقيق هذا التحكم بمستوى طاقة أقل بكثير، باستخدام نبضة ضوء ذات كثافة طاقة تبلغ 6.8 جول لكل متر مربع فقط، وهو أقل بكثير مما كان مطلوباً في الدراسات السابقة. لقد حققوا ذلك باستخدام طبقة الذهب كوسيط، أي محول يستقبل طاقة الضوء ويسلمها إلى العازل. تحدث العملية برمتها بسرعة هائلة، حيث تحدث التغييرات المغناطيسية في غضون بضعة بيكوثوانٍ، أو تريليونات من الثانية، ويعود النظام إلى حالته الأصلية بعد فترة وجيزة.

كشفت الدراسة أيضاً عن تفاصيل حول كيفية تفاعل المادتين على المستوى الذري. فمن خلال قياس الاستجابة المغناطيسية في لحظات زمنية مختلفة، استطاع الفريق رؤية تسلسل الأحداث: يصطدم الضوء بالذهب، وتتفاعل إلكترونات الذهب بشكل فوري تقريباً، ثم تنتقل التأثيرات المغناطيسية إلى العازل. ووجدوا أن قوة هذا التفاعل تعتمد على جودة الحدود بين الذهب والعازل. فإذا كانت الواجهة نظيفة ومنظمة جيداً، يكون نقل اللف فعالاً. وهذا يشير إلى أنه من خلال هندسة هذه الطبقات بعناية، يمكن للعلماء تصميم أجهزة تستخدم الضوء لكتابة ومسح المعلومات المغناطيسية بسرعة عالية واستهلاك ضئيل للطاقة.

بينما لم يشهد الباحثون موجات مغناطيسية تتذبذب ذهاباً وإياباً في نمط إيقاعي، كما هو الحال في بعض التجارب مع المواد الأكثر سمكاً، إلا أنهم لاحظوا تغيراً واضحاً ودائماً في الحالة المغناطيسية. يشير هذا إلى أن تأثير فاراداي العكسي لنقل اللف هو آلية قوية للتلاعب بالمغناطيسية في الأفلام الرقيقة. يفتح هذا العمل مساراً لاستخدام الأشعة تحت الحمراء للتحكم في العوازل المغناطيسية، وهي قدرة قد تكون حيوية للجيل القادم من أجهزة السبنترونيك (الإلكترونيات الدورانية). ستعتمد هذه الأجهزة على دوران الإلكترونات بدلاً من شحنتها، مما قد يؤدي إلى أجهزة كمبيوتر أسرع وأكثر كفاءة، وقادرة على معالجة المعلومات بطرق لا تستطيع التكنولوجيا الحالية القيام بها. وتشير النتائج إلى أن المفتاح لإطلاق هذه القدرات يكمن في فهم وإتقان الواجهة بين المعادن والعوازل المغناطيسية، وتحويل طبقة بسيطة من الذهب إلى أداة قوية للتحكم في العالم الخفي للمغناطيسية.