Collective spin reorientation-triggered large hysteresis-free magnetostriction with high strain sensitivity in TbMn6Sn6

نادراً ما تكون المادة ساكنة كما تبدو. فحتى في كتلة صلبة من المعدن، تكون الذرات محبوسة في شبكة صلبة، ومع ذلك فإن المجالات المغناطيسية الصغيرة التي تولدها إلكتروناتها تتفاعل باستمرار، وتدفع وتجذب بعضها البعض. وعندما تتحول هذه القوى المغناطيسية، يمكنها أحياناً أن تجذب الذرات نفسها، مما يتسبب في تمدد المادة بأكملها أو انكماشها. هذه الظاهرة، المعروفة باسم "الارتباط المغناطيسي الحجمي" (magnetostriction)، هي السبب في أن بعض الأجهزة تصدر طنيناً أو اهتزازاً عندما يتدفق التيار الكهربائي من خلالها. لعقود من الزمن، سعى العلماء وراء مواد يمكنها تحويل المجال المغناطيسي إلى حركة ميكانيكية قوية ودقيقة، آملين في بناء مستشعرات ومحركات وأدوات طبية أفضل. وكان التحدي دائماً يكمل في إيجاد مادة تتمدد كثيراً دون أن تتعثر في دورة من "التخلف المغناطيسي" (hysteresis)، حيث تتذكر المادة حالاتها الماضية وترفض العودة إلى شكلها الأصلي بوضاً وسلاسة، ومادة تستجيب فوراً لأصغر التغييرات في القوة المغناطيسية.

لقد حدد فريق من الباحثين الآن بلورة محددة تفعل ذلك بالضبط. فمن خلال دراسة مركب مكون من التيربيوم والمنغنيز والقصدير، اكتشفوا طريقة لتحفيز تمدد هائل وعكسي بمجرد تطبيق مجال مغناطيسي. المادة، التي تسمى TbMn6Sn6، تحتوي على طبقات من الذرات مرتبة في نمط يشبه قرص العسل. داخل هذا الهيكل، تعمل العزوم المغناطيسية للذرات مثل بوصلات صغيرة. عند درجة حرارة الغرفة، تشير هذه البوصلات غالباً إلى الأعلى والأسفل، بشكل عمودي على الطبقات. ومع ذلك، عندما يتم تطبيق مجال مغناطيسي بشكل جانبي، تدور مجموعة الإبر بأكملها معاً لتشير إلى الاتجاه الجديد. هذا الدوران الجماعي، الذي يحدث دون أن تتعثر المادة أو تتأخر، يتسبب في تمدد وانكماش البلورة بشكل كبير. وجد الباحثون أن هذه المادة يمكن أن تتمدد بأكثر من 160 جزءاً في المليون عند درجة حرارة الغرفة، ويصبح التأثير أقوى مع انخفاض درجة الحرارة، ليصل إلى حوالي 400 جزء في المليون عند 200 كلفن. ولعل الأمر الأكثر إثارة للإعجاب هو أن المادة حساسة للغاية؛ فبالقرب من درجة حرارة انتقال محددة تبلغ حوالي 310 كلفن، ينتج عن تغيير ضئيل في المجال المغناطيسي تغير كبير في شكل المادة، مما يجعلها واحدة من أكثر المواد استجابة من نوعها على الإطلاق.

لفهم كيفية حدوث ذلك، قام العلماء أولاً برسم خريطة للسلوك المغناطيسي للبلورة. لاحظ أنهم مع زيادة المجال المغناطيسي، لم تكتفِ المادة بقلب مغناطيسيتها بشكل مفاجئ، بل دارت الإبر المغناطيسية بسلاسة من الاتجاه العمودي (للأعلى والأسفل) لتستقر بشكل أفقي داخل الطبقات. يحدث هذا الدوران ضمن نطاق محدد جداً من قوة المجال المغناطيسي. وقاس الباحثون الإجهاد الفيزيائي للبلورة أثناء هذه العملية ووجدوا أن التمدد حدث بالكامل تقريباً ضمن هذا النطاق الضيق نفسه. وبمجرد انتهاء دوران الإبر واستقرارها في وضعها الأفقي الجديد، توقف التمدد، وحافظت المادة على شكلها الجديد. هذا الارتباط المباشر بين الدوران المغناطيسي والتمدد الفيزيائي أكد أن الحدثين كانا يحدثان بالتزامن. لقد تمددت المادة دون أي تأخير فوضوي أو "ذاكرة" كما يعيب الأنظمة عادةً، مما يعني أنه يمكن تشغيلها وإطفاؤها بشكل متكرر بدقة مثالية.

ثم نظر الفريق إلى داخل المادة ليرى ما يحدث على مقياس أصغر. وباستخدام مجهر خاص يصور المجالات المغناطيسية، راقبوا البنية الداخلية للبلورة مع تغير المجال المغناطيسي. رأوا أن المادة منقسمة طبيعياً إلى مناطق تسمى "نطاقات" (domains)، حيث تشير الإبر المغناطيسية إلى اتجاهات مختلفة قليلاً، مما يشكل نمطاً مخططاً. ومع تطبيق المجال المغناطيسي، لم تكتفِ هذه الخطوط بالانزلاق فوق بعضها البعض، بل التوت وأعادت تنظيم نفسها بالكامل. أعيد بناء نمط الخطوط بالكامل ليتناسب مع الاتجاه الجديد للمجال المغناطيسي. أثبتت هذه الملاحظة في الوقت الفعلي أن التمدد لم يكن ناتجاً عن تحرك بعض الذرات هنا وهناك، بل كان نتيجة إعادة تنظيم جماعية ومنسقة للهيكل المغناطيسي بأكره. كانت المادة، في الأساس، تعيد تشكيل مشهدها الداخلي لاستيعاب الحالة المغناطيسية الجديدة، وهذاتغيير الشكل سحب الشبكة البلورية معها.

ولشرح سبب كون التمدد كبيراً وذا اتجاه محدد، لجأ الباحثون إلى عمليات محاكاة حاسوبية قائمة على قوانين الفيزياء الكمية. قاموا بنمذجة كيفية تفاعل الذرات ومجالاتها المغناطيسية عندما تدور الإبر. أظهرت الحسابات أن الدوران يغير المسافة بين الذرات بطريقة تعتمد على اتجاه المجال. فعندما تدور الإبر المغناطيسية من الاتجاه العمودي إلى الاتجاه الجانبي، تتغير المسافة بين طبقات الذرات، ويتوسع التباعد داخل الطبقات. وكشفت عمليات المحاكاة أن هذا التغيير كان مدفوعاً بالطريقة التي تستجيب بها القوى المغاسية بين الذرات، والمعروفة باسم "تفاعلات التبادل"، للاتجاه الجديد. إن القوى المغناطيسية بين الذرات حساسة للغاية للمسافة بين الذرات. وعندما دارت الإبر المغناطيسية، اختل توازن هذه القوى، مما جعل الذرات تستقر في ترتيب جديد أكبر قليلاً. هذا "التجاذب والتدافع" المجهري بين القوى المغناطيسية والتباعد الذري هو ما يخلق التمدد العياني الذي يمكننا قياسه.

كان أحد أكثر النتائج لفتاً للنظر هو الفرق بين مقدار تمدد المادة وسرعة استجابتها. فبينما تتمدد المادة بأقصى قدر لها عند درجات الحرارة المنخفضة، فإن قدرتها على الاستجابة بسرعة لتغير المجال المغناطيسي تكون في أعلى مستوياتها بالقرب من درجة حرارة الغرفة، وتحديداً حوالي 310 كلفن. عند هذه الدرجة، يحدث الدوران المغناطيسي عبر نطاق ضيق جداً من قوة المجال المغناطيسي. ولأن عملية التمدد بأكملها تُضغط في نافذة صغيرة جداً من التغير المغناطيسي، فإن أي دفعة بسيطة للمجال المغفعي تنتج استجابة ميكانيكية كبيرة. حسب الباحثون هذه الحساسية ووجدوا أنها عالية بشكل استثنائي، وتتجاوز بكثير العديد من المواد المعروفة الأخرى. وهذا يعني أنه بالقرب من درجة الحرارة هذه، تعمل المادة كمحول عالي الكفاءة، يحول إشارة مغناطيسية صغيرة إلى حركة ميكانيكية كبيرة. وتستبعد الدراسة فكرة أن هذا التأثير ناتج ببساطة عن تمدد أو انكماش المادة بسبب الحرارة؛ إذ إن التمدد يحدث فقط عند تطبيق المجال المغناطيسي، مما يثبت أنه نتيجة مباشرة لإعادة البناء المغناطيسي.

يؤسس هذا العمل مساراً واضحاً لتصميم مواد مستقبلية يمكن التحكم فيها بالمجالات المغناطيسية. فمن خلال فهم أن الدوران الجماعي للعزوم المغناطيسية يمكن أن يدفع استجابة ميكانيكية كبيرة ونظيفة وحساسة، يمكن للعلماء الآن البحث عن مواد أخرى تمتلك خصائص مماثلة. المفتاح هو العثور على أنظمة يمكن فيها إعادة تنظيم النظام المغناطيسي بسهولة، وحيث يكون هذا التنظيم مرتبطاً ارتباطاً وثيقاً بالبنية الفيزيائية للبلورة. لقد أثبت الباحثون في مادة TbMn6Sn6 أن الانتقال من حالة مغناطيسية إلى أخرى ليس مجرد تغيير في الاتجاه، بل هو إعادة هيكلة جذرية للقوى الداخلية للمادة. هذه إعادة الهيكلة تسحب الذرات إلى تكوين جديد، مما يخلق تأثيراً ميكانيكياً قوياً ودقيقاً. وتشير النتائج إلى أنه من خلال هندسة مواد تخضع لعمليات انتقال جماعية مماثلة، قد يكون من الممكن إنشاء أجهزة أكثر استجابة وكفاءة وموثوقية مما هو متاح حالياً. توفر هذه الدراسة مخططاً لكيفية تسخير قوة إعادة البناء المغناطيسي لبناء الجيل القادم من المواد الذكية.