Pressure-correlation phase diagram unraveling quantum phase transitions in altermagnetic $\epsilon$-FeOOH and realization of piezo-anomalous Hall effect

في أعماق الأرض، تحت أوزان هائلة من الصخور والحرارة، تتصرف المعادن بطرق تبدو مستحيلة عند السطح. يمكنها أن تتقلص، أو تغير بنيتها الداخلية، أو حتى تغير كيفية اصطفاف أجزائها المغناطيسية الصغيرة. هذا هو عالم فيزياء الضغط العالي، وهو مجال مخصص لفهم كيفية تحول المادة عندما تتعرض للضغط. ومن بين أكثر المواد إثارة للاهتمام في هذا المجال هي هيدروكسيدات الحديد والأوكسي (iron oxyhydroxides)، وهي معادن تحتوي على الحديد والأكسجين والهيدروجين. هذه المركبات ليست مجرد فضول جيولوجي؛ بل هي مختبرات للفيزياء الكمومية. فعند ضغطها، يمكن للإلكترونات داخلها أن تنتقل من حالة إلى أخرى، مما يغير المادة من مغناطيس إلى غير مغناطيس، أو من عازل يحجب الكهرباء إلى موصل يسمح بمرورها. لطالما عرف العلماء أن الضغط يمكن أن يحفز هذه التغييرات، لكن الخريطة الدقيقة لكيفية حدوث هذه التحولات، والقوى التي تدفعها، ظلت لغزاً.

لقد رسم فريق من الباحثين في المعهد الهندي للتكنولوجيا بمدريد الآن خريطة مفصلة لهذه التحولات لمعدن محدد يسمى إبسيلون-إف إي أو أو إتش (epsilon-FeOOH). وباستخدام محاكاة حاسوبية قوية لمحاكاة تأثيرات الضغط الشديد، اكتشفوا أن هذا المعدن لا يتغير مرة واحدة أو مرتين فقط عند ضغطه؛ بل يخضع لسلسلة من التحولات المتميزة المدفوعة بالضغط. وتكشف الدراسة أن المعدن يمر عبر ثلاث نقاط ضغط حرجة حيث تتغير طبيعته الجوهرية. عند النقطة الحرجة الأولى، تعيد الإلكترونات ترتيب نفسها، مما يسبب تحول المادة من حالة "اللف المغزلي العالي" (high-spin state)، حيث تكون العزوم المغناطيسية كبيرة، إلى حالة "اللف المغزلي المنخفض" (low-spin state)، حيث تكون أصغر. هذا التحول ليس مجرد تغيير مغناطيسي؛ بل يغير أيضاً كيفية توصيل المادة للكهرباء، من نوع واحد من السلوك العازل إلى نوع آخر. وعند ضغط حرج ثانٍ، تتغير البنية البلورية للمعدن نفسه، لتنتقل من ترتيب غير متماثل إلى ترتيب متماثل تماماً. وأخيراً، عند نقطة حرجة ثالثة، يتغير الاتجاه الذي يشير إليه المغناطيس الداخلي للمادة مرة أخرى.

وما يجعل هذا الاكتشاف مثيراً للاهتمام بشكل خاص هو الارتباط بين هذه التغييرات الداخلية وظاهرة تُعرف باسم "تأثير هول غير الطبيعي" (anomalous Hall effect). وببساء العبارة، يصف هذا التأثير كيف يمكن للمادة أن تولد جهداً كهربائياً عبر عرضها عندما يتدفق تيار كهربائي من خلالها، حتى بدون مجال مغناطيسي خارجي. عادة ما يحدث هذا في المواد ذات خصائص مغناطيسية محددة. وقد وجد الباحثون أن إبسيلون-إف إي أو أو إتش مميز لأنه يمكنه تشغيل هذا التأثير وإيقافه، وحتى تغيير اتجاه الجهد، ببساطة عن طريق تطبيق الضغط. يحدث هذا لأن المادة تمتلك نظاماً مغناطيسياً فريداً يسمى "الألترماجنيتزم" (altermagnetism)، حيث تترتب الدورات المغناطيسية بطريقة تسمح بهذا الاستجابة الكهربائية تحت ظروف معينة. وتظهر الدراسة أن ضغط المعدن بدرجات مختلفة يمكن أن يؤدي إلى تشغيل تأثير هول غير الطبيعي عند ضغط منخفض، ثم تدوير اتجاهه عند ضغط أعلى. وهذا يخلق ما يسميه المؤلفون "تأثير هول البيزو-غير الطبيعي" (piezo-anomalous Hall effect)، وهو وسيلة للتحكم في الكهرباء باستخدام القوة الميكانيكية.

توصل الباحثون إلى هذه الاستنتاجات من خلال بناء نموذج افتراضي للمعدن وإخضاعه لمستويات متزايدة من الضغط في حساباتهم. لقد تتبعوا كيفية حركة الإلكترونات، وكيفية تحرك الذرات، وكيف تغيرت القوى المغناطيسية. ووجدوا أن الانتقال من حالة اللف المغزلي العالي إلى حالة اللف المغزلي المنخفض مدفوع بالمنافسة بين قوتين: المجال البلوري، وهو البيئة الكهربائية التي تخلقها الذرات المحيطة، وتفاعل "هوند" (Hund's coupling)، وهو قاعدة كمومية تفضل أن يكون للإلكترونات دورات مغزلية متوازية. ومع زيادة الضغط، يقوى المجال البلوري، ليطغى في النهاية على تفاعل هوند، ويجبر الإلكترونات على الدخول في حالة اللف المغزلي المنخفض. ويحدث هذا الانتقال عند ضغط يعتمد بشكل كبير على مدى قوة تنافر الإلكترونات مع بعضها البعض. وفي المقابل، فإن التغيير الهيكلي من الطور غير المتماثل إلى الطور المتماثل يحدث عند ضغط لا يتأثر إلى حد كبير بتفاعلات هذه الإلكترونات، ويحدث عند حوالي 45 جيجاباسكال. ويتماشى هذا التحول الهيكلي مع الملاحظات التجريبية السابقة، مما منح الباحثين الثقة في نموذجهم.

كما توضح الدراسة اتجاه المغناطيسية الداخلية للمادة، المعروف باسم محور تكميم اللف المغزلي (spin quantization axis). ففي الضغوط المنخفضة، تشير العزوم المغناطيسية في اتجاه واحد، ولكن مع ارتفاع الضغط وتجاوز عتبة معينة، تنقلب لتشير إلى اتجاه مختلف. ووجد الباحثون أن المادة لا تظهر تأثير هول غير الطبيعي إلا عندما تشير هذه العزوم المغناطيسية إلى محاور معينة. فعندما تشير العزوم إلى محور واحد، يكون التأثير صفراً. وعندما تنتقل إلى محور آخر، يعمل التأثير. وعندما تنتقل مرة أخرى عند ضغط أعلى، يدور اتجاه التأثير. إن هذا التحكم الدقيق في الاستجابة الكهربائية من خلال الضغط الميكانيكي يشير إلى أن إبسيلون-إف إي أو أو إتش يمكن أن يكون مادة فريدة للتقنيات المستقبلية التي تعتمد على التلاعب بالخصائص المغناطيسية والكهربائية في آن واحد. ويوفر العمل مخطط طور كاملاً، يوضح بالضبط أين تحدث هذه التحولات وكيف ترتبط بالقوى الكمومية الكامنة.

إن أحد المساهمات الرئيسية لهذا البحث هو التحقق من صحة النتائج التجريبية الأخيرة مع ملء الفجوات النظرية المفقودة. فقد لاحظت الدراسات السابقة تغيرات هيكلية وتلميحات لانتقالات اللف المغزلي، لكن الصورة الكاملة لكيفية ارتباط هذه الأحداث ببعضها البعض لم تكن واضحة. وتظهر عمليات المحاكاة أن التغيير الهيكلي وانتقال اللف المغزلي يحدثان عند ضغوط مختلفة، مما يحل غموضاً طال أمده. علاوة على ذلك، فإن تحديد "الألترماجنيتزم" في كل من أطوار الضغط المنخفض والضغط العالي للمعدن يعد اكتشافاً هاماً. فالألترماجنيتزم هو حالة مادة تم اكتشافها حديثاً تجمع بين خصائص المغناطيسية الحديدية (ferromagnetism) والمغناطيسية المضادة (antiferromagnetism)، ووجودها في معدن قابل للضبط بالضغط مثل هذا يفتح آفاقاً جديدة للبحث. ويؤكد الباحثون أنه على الرغم من أن نتائجهم تعتمد على المحاكاة الحاسوبية، إلا أنها تتوافق وثيقاً مع البيانات التجريبية، مثل الضغط المحدد الذي يحدث عنده التغيير الهيكلي واتجاه محور اللف المغزلي عند التوازن.

تمتد آثار هذا العمل إلى ما هو أبعد من مجرد فهم معدن واحد. فهو يوضح أن الضغط يمكن استخدامه كأداة دقيقة لضبط الخصائص الكمومية في أنظمة الإلكترونات المترابطة. إن القدرة على تشغيل تأثير هول وتدوير اتجاهه دون تغيير التركيب الكيميائي للمادة هي قدرة نادرة وقيمة. ويقترح الباحثون أن تأثير هول البيزو-غير الطبيعي هذا قد يكون آلية جديدة لتصميم أجهزة الاستشعار أو أجهزة الذاكرة التي تستجيب للإجهاد الميكانيكي. ومع ذلك، فإنهم يظلون حذرين، مشيرين إلى أن هذه النتائج نظرية حالياً وتعتمد على الظروف المحددة التي تمت نمذجتها في دراستهم. وسيكون الاختبار الحقيقي من خلال التجارب المستقبلية التي يمكنها إعادة إنتاج ظروف الضغط العالي هذه وقياس الاستجابات الكهربائية المتوقعة مباشرة. أما الآن، فإن الدراسة تقدم خريطة واضحة ومفصلة لمشهد كمومي معقد، تظهر كيف يمكن تسخير التفاعل بين الضغط، وتنافر الإلكترونات، والبنية البلورية لخلق ظواهر فيزيائية جديدة وقابلة للتحكم.