Ultrafast optical route to coupled ferroelectric and altermagnetic switching

في عالم الإلكترونيات الحديثة، يعتمد التحكم في تدفق المعلومات غالباً على خاصيتين فيزيائيتين متمايزتين: الشحنة الكهربائية واللف المغزلي المغناطيسي (spin). لطالما سعى المهندسون لإيجاد مواد يمكنها القيام بكليهما في آن واحد، مما يسمح بتخزين البيانات باستخدام المغناطيسية مع كتابة تلك البيانات باستخدام الكهرباء. وتوفر فئة جديدة واعدة من المواد، تُعرف باسم "الألترماجنيت" (altermagnets)، ميزة فريدة؛ فخلافاً للمغناطيسات التقليدية التي تجذب إبرة البوصلة، تمتلك هذه المواد بنية داخلية متوازنة حيث تلغي القوى المغناطيسية بعضها البعض، ومع ذلك تظل قادرة على فصل الإلكترونات بناءً على اتجاه لفها المغزلي. وهذا يجعلها مثالية للحوسبة عالية السرعة دون التداخل مع المجالات المغناطيسية الشاردة. ومع ذلك، لا يزال هناك عقبة رئيسية: إيجاد طريقة لقلب اتجاه هذا الفصل المغزلي بسرعة وكفاءة دون إدخال ضوضاء مغناطيسية غير مرغوب فيها. لعقود من الزمن، حاول العلماء تحقيق ذلك عن طريق تطبيق مجالات كهربائية، لكن العملية غالباً ما تكون بطيئة أو تتطلب مواد يصعب استقرارها.

لقد اقترح فريق من الباحثين الآن مساراً مختلفاً، يستخدم الضوء بدلاً من الكهرباء لتحفيز هذه التغييرات. وفي دراسة نُشرت مؤخراً، حددوا مادة معينة، وهي مركب مكون من الليثيوم والفاناديوم والفلور، يمكن أن تعمل كمنصة مثالية لهذه التكنولوجيا. ويشير الباحثون إلى أنه من خلال تسليط نبضة ليزر فائقة السرعة على هذه المادة، يمكنهم عكس الاستقطاب الكهربائي وترتيب اللف المغزلي المغناطيسي في آن واحد. ويعد هذا الاكتشاف مهماً لأنه يقدم طريقة لا تلامسية وسريعة للغاية للتحكم في الحالة المغناطيسية للمادة، مما يمهد الطريق لجيل جديد من أجهزة السبنترونيك (spintronic) التي تعمل بسرعات تفوق بكثير ما يمكن أن تحققه الإلكترونيات الحالية.

تبدأ القصة بالمادة نفسها، وهي مركب يُدعى LiV2F6. في شكلها القياسي عند درجات الحرارة العالية، تبدو هذه البلورة كشبكة متماثلة تماماً حيث تكون جميع ذرات الفاناديوم متطابقة. في هذه الحالة، تشير الحسابات النظرية إلى أن المادة ستتصرف كمغناطيس حديدي (ferromagnet) ذي جذب مغناطيسي صافٍ، وهي نتيجة تتناقض مع التقارير التجريبية حول القابلية المغناطيسية المضادة (antiferromagnetic susceptibility). ولحل هذا التباين، أدرك الفريق أنه إذا انخفضت درجة الحرارة، فقد تنقسم ذرات الفاناديوم إلى نوعين مختلفين: بعضها يصبح أكثر إيجابية قليلاً والبعض الآخر يصبح أقل إيجابية قليلاً. هذه الظاهرة، المعروفة باسم "ترتيب الشحنة" (charge ordering)، تكسر تماثل البلورة. وعندما يحدث هذا، تتحول المادة؛ إذ تتبنى تكويناً مغناطيسياً معيناً حيث يلغي صافي الجذب المغناطيسي بعضه البعض، لتصبح "ألترماجنيت"، وتطور في الوقت نفسه استقطاباً كهربائياً، لتصبح "كهربائية حديدية" (ferroelectric). وقد استخدم الباحثون محاكاة حاسوبية قوية لتأكيد أن هذه الحالة الجديدة ذات التماثل المنخفض مستقرة وأن الصفتين مرتببطتان بعمق. ولأن الاستقطاب الكهربائي وفصل اللف المغزلي المغناطيسي ينبعان من نفس إعادة ترتيب الإلكترونات، فإن تغيير أحدهما يغير الآخر تلقائياً.

ولاختبار ما إذا كان يمكن استخدام هذا الاتصال للتبديل العملي، نظر الفريق في كيفية استجابة المادة للضوء. في العديد من المواد التقليدية، يتطلب قلب الاستقطاب الكهربائي تحريك ذرات ثقيلة، وهي عملية تستغرق وقتاً وطاقة. ولكن في هذه المادة ذات الترتيب الشحني، يتم دفع الاستقطاب من خلال حركة الإلكترونات بين الذرات، وهو أمر أسرع بكثير. قام الباحثون بمحاكاة ما سيحدث إذا قصفوا المادة بنبضة ليزر تستمر لبضع فيمتو ثانية فقط — وهو جزء من كوادريليون من الثانية. كانت النتائج مذهلة؛ فقد تسببت طاقة الليزر في جعل الإلكترونات تقفز بسرعة من نوع من ذرات الفاناديوم إلى نوع آخر. كانت هذه الحركة السريعة جداً للشحنة كافية لعكس اتجاه الاستقطاب الكهربائي. ومن الأهمية بمكان أنه نظراً لأن المغناطيسية والكهرباء مرتبطان ارتباطاً وثيقاً، فإن هذه الحركة الإلكترونية نفسها قلبت اتجاه الفصل المغزلي المغناطيسي. لقد انتقلت المادة من حالة مغناطيسية إلى نظيرتها المعاكسة دون أن تطور قط مجال مغناطيسي صافٍ يمكن أن يتداخل مع المكونات المجاورة.

وتتجاوز تداعيات هذا الاكتشاف مادة واحدة؛ فقد وضع الباحثون مجموعة واضحة من القواعد لإيجاد مواد أخرى يمكنها القيام بالشيء نفسه. فقد توصلوا إلى أن المفتاح هو العثور على بلورة تبدأ فيها الذرات المغناطيسية بشحنة كسرية، مما يجعلها عرضة للانقسام إلى حالات مختلفة مع تبريد المادة. هذا الشرط المحدد يسمح لترتيب الشحنة بأن يعمل كمفتاح رئيسي لكل من الكهرباء والمغناطيسية. وبينما اعتمدت الدراسة على المحاكاة الحاسوبية بدلاً من التجربة الفيزيائية بالليزر، فقد تم بالفعل تخليق المادة المعنية، LiV2F6، في المختبر، مما يمنح الباحثين الثقة في أن توقعاتهم النظرية يمكن اختبارها في العالم الحقيقي. وقد أظهرت عمليات المحاكاة أن حاجز الطاقة لتبديل الاستقطاب معقول، وأن العملية تحدث في مقياس زمني أسرع بعدة مراتب من الطرق التقليدية.

يشير هذا العمل إلى مبدأ تصميم جديد للأجهزة الإلكترونية المستقبلية. تخيل شريحة كمبيوتر حيث تتكون طبقة تخزين البيانات من هذا النوع من المواد. بدلاً من استخدام مجال مغناطيسي لكتابة "بت" (bit)، وهو أمر بطيء ومستهلك للطاقة، أو مجال كهربائي قد يسبب تسريباً، يمكن للمصمم استخدام نبضة ليزر دقيقة. ستعمل هذه النبضة فوراً على إعادة ترتيب الإلكترونات، مما يقلب الحالتين الكهربائية والمغناطيسية في حركة واحدة متزامنة. والنتيجة هي جهاز يمكنه تغيير حالته في طرفة عين، ويعمل بكفاءة عالية ودون التداخل المغناطيسي الذي تعاني منه التقنيات الحالية. لقد قدم الباحثون خارطة طريق ملموسة لكيفية بناء مثل هذا النظام، محولين مفهوماً نظرياً معقداً إلى إمكانية ملموسة للحوسبة فائقة السرعة ومنخفضة الطاقة.