Assessment of critical behavior in lacunar oxides of type perovskite

غالباً ما يتطلع علماء المواد إلى عائلة من البلورات تُعرف باسم المنجانيت (manganites)، وهي مركبات تحتوي على المنجنيز والأكسجين وعناصر أخرى مثل اللانثانوم أو الصوديوم. هذه المواد مثيرة للاهتمام لأنها يمكن أن تتحول بين كونها عازلة كهربائياً وموصلة، ويمكنها تغيير حالتها المغناطيسية من غير مغناطيسية إلى مغناطيسية اعتماداً على درجة الحرارة. هذا الحساسية تجعلها مرشحة رئيسية لتقنية تُسمى التبريد المغناطيسي، وهي طريقة تبريد تستخدم المجالات المغناطيسية بدلاً من الغازات الضارة. ولفهم كيفية عمل هذه المواد، يدرس الباحثون اللحظة الدقيقة التي تغير فيها حالاتها، والمعروفة باسم الانتقال الطوري. عند درجة الحرارة المحددة هذه، يتغير النظام الداخلي للمادة، وتتغير الطريقة التي تتفاعل بها ذراتها بشكل كبير. ومن خلال قياس كيفية استجابة المادة للمجالات المغناطيسية حول نقطة الانتقال هذه مباشرة، يمكن للعلماء الكشف عن القواعد الأساسية التي تحكم سلوكها.

قام فريق من الباحثين من جامعة صفاقس في تونس ومعهد نيل (Institut Néel) في فرنسا مؤخراً باستقصاء نسختين محددتين من بلورة من المنجانيت لمعرفة كيف يؤثر إنشاء مساحات فارغة صغيرة، أو فجوات، داخل الهيكل على هذه القواعد المغناطيسية. لقد قاموا بتصنيع عينتين من مركب مكون من اللانثانوم والصوديوم والمنجنيز والأكسجين. في العينة الأولى، كانت الذرات مرتبة في تكوينها القياسي الكامل. أما في العينة الثانية، فقد تعمدوا إزالة كمية صغيرة من الذرات من مواقع محددة داخل الشبكة البلورية، مما أدى إلى خلق فجوات. أراد الباحثون معرفة ما إذا كانت هذه الذرات المفقودة ستؤدي ببساء إلى إضعاف المادة أم أنها ستغير بشكل جوهري الطريقة التي تتفاعل بها الذرات مع بعضها البعض أثناء الانتقال المغناطيسي.

باستخدام تقنية تسمى حيود الأشعة السينية، أكد الفريق أن كلتا العينتين شكلتا بنية بلورية معينة من نوع "الرومبوهيدرال" (rhombohedral)، وهو شكل ثلاثي الأبعاد محدد حيث تترتب الذرات في نمط متكرر. ووجدوا أنه مع إدخال المزيد من الفجوات، يتوسع الحجم الإجمالي للخلية الوحدة البلورية قليلاً. حدث هذا التوسع لأن إزالة الذرات غيرت التوازن بين أنواع مختلفة من أيونات المنجنيز داخل المادة، مما تسبب في تمدد الروابط بين ذرات المنجنيز والأكسجين وتغيير الزوايا بينها. وقد مهدت هذه التغييرات الهيكلية الدقيقة الطريق لاختلاف كبير في السلوك المغناطيسي.

لفهم الانتقال المغناطيسي، قام الباحثون بتبريد وتسخين العينات مع تطبيق مجالات مغناطيسية بقوى متفاوتة. وقاموا بقياس كيفية تغير مغنطة المادة عند درجات حرارة مختلفة، مع التركيز على النقطة الحرجة حيث تتحول المادة من حالة غير منظمة وغير مغناطيسية إلى حالة منظمة ومغناطيسية. ومن خلال تحليل هذه القياسات باستخدام عدة مقاربات رياضية راسخة، حددوا "الأسات الحرجية" (critical exponents) لكل عينة. هذه الأسات هي أرقام تصف سرعة تغير الخصائص المغناطيسية للمادة عند اقترابها من درجة حرارة الانتقال. وهي تعمل مثل بصمة الإصبع، حيث تكشف ما إذا كانت التفاعلات المغناطيسية قصيرة المدى، بحيث تؤثر فقط على الجيران المباشرين، أم طويلة المدى، بحيث تؤثر على الذرات عبر المادة بأكملها.

أظهرت النتائج تباعداً واضحاً بين العينتين. فقد سلكت العينة الخالية من الفجوات سلوكاً وفق نموذج يُعرف باسم نموذج "إيسينج" ثلاثي الأبعاد (three-dimensional Ising model). يصف هذا النموذج نظاماً تكون فيه التفاعلات المغناطيسية قصيرة المدى نسبياً، مما يعني أن التوجه المغناطيسي للذرة يتأثر أساساً بجيرانها الأقرب. ومع ذلك، تصرفت العينة التي تحتوي على فجوات بشكل مختلف؛ حيث طابقت أساتها الحرجة نموذجاً يُسمى "نظرية المجال المتوسط لثلاثي النقاط" (tricritical mean field theory)، والتي تصف نظاماً يهيمن عليه التفاعلات طويلة المدى حيث تؤثر الذرات على بعضها البعض عبر مسافات أكبر بكثير. لقد غير إدخال الفجوات "فئة الشمولية" (universality class) للمادة فعلياً، ونقلها من نوع من السلوك المغناطيسي إلى نوع آخر.

تحقق الباحثون من هذه النتائج من خلال التحقق مما إذا كانت البيانات تتبع قانون القياس العالمي، وهو مبدأ ينص على أنه بالقرب من نقطة الانتقال، يجب أن يبدو سلوك المادة متشابهاً بغض النظر عن درجة الحرارة المحددة أو قوة المجال، بشرط عرض البيانات من خلال العدسة الرياضية الصحيحة. وقد انطبقت البيانات لكلا العينتين على منحنيات سلسة ومتوقعة، مما أكد أن الأسات الحرجيّة التي حسبوها كانت دقيقة. علاوة على ذلك، ربطوا هذه النتائج المغناطيسية بتأثير "كالوريمغنتي" (magnetocaloric effect)، وهو القدرة على التسخين أو التبريد عند التعرض لمجال مغناطيسي متغير. ووجدوا أن قوة تأثير التبريد هذا اتبعت قانون قوة محدداً يتعلق بالأسات الحرجيّة التي قاسوها، مما أثبت أن الطبيعة الأساسية للتفاعلات المغناطيسية هي التي تملي مباشرة قدرة المادة على التبريد.

باختأصار، أظهرت الدراسة أن مجرد إنشاء بعض المواقع الفارغة داخل الهيكل البلوري للمنجانيت يمكن أن يغير بشكل جذري قواعد تفاعلاتها المغناطيسية. فالمادة الخالية من الفجوات اعتمدت على التفاعلات قصيرة المدى، بينما تحولت المادة ذات الفجوات إلى التفاعلات طويلة المدى. يسلط هذا الاكتشاف الضوء على أن الهندسة المجهرية للمادة، وصولاً إلى وجود ذرات مفقودة، هي أداة قوية لضبط خصائصها. وبالنسبة لمستقبل التبريد المغناطيسي، يشير هذا إلى أنه يمكن للعلماء هندسة مواد ذات قدرات تبريد محددة من خلال التحكم الدقيق في ترتيب الذرات وإدخال الفجوات، بدلاً من مجرد تغيير المكونات الكيميائية.