Soft-x-ray free-electron laser pulses stabilize a competing order in helimagnet

غالباً ما يُنظر إلى الضوء كأداة للرؤية، وسيلة لإضاءة الزوايا المظلمة في العالم المجهري. ولكن في مجال المواد الكمومية، يمكن للضوء أيضاً أن يعمل كنحات. فعندما يسلط العلماء نبضات ضوئية مكثفة على بلورات معينة، هم لا يكتفون بمراقبة الذرات فحسب؛ بل يمكنهم دفع المادة نحو حالات لا توجد في الظروف العادية. يستكشف هذا المجال البحثي كيف ترتبط الطاقة والمغناطيسية وترتيب الذرات ارتباطاً وثيقاً. وفي بعض المواد، تكون هذه القوى دقيقة للغاية لدرجة أن دفعة صغيرة يمكن أن تقلب الميزان، مما يؤدي إلى إعادة ترتيب الهيكل بأكره. إن فهم كيفية التحكم في هذه التحولات أمر بالغ الأهم_ية لتطوير تقنيات جديدة، من الحواسيب الأسرع إلى أنظمة الطاقة الأكثر كفاءة. والسؤال الذي طالما طرحه الباحثون هو ما إذا كان شعاع قوي من الضوء يمكنه تغيير النظام الداخلي للمادة بشكل دائم، أم أنه يكتفي فقط بخدش السطح قبل أن تعود المادة إلى حالتها الأصلية.

لقد أثبت فريق من الباحثين الآن أن نوعاً معيناً من الضوء المكثف يمكنه بالفعل تثبيت مادة في ترتيب جديد ومستقر. لقد عملوا على بلورة تسمى زرنيخيد الكروم، وهي مادة معروفة بهيكلها المغناطيسي الحلزوني، حيث تلتوي الدورات المغناطيسية للذرات مثل لولب الفلين أثناء تحركك عبر البلورة. في الظروف العادية، يتبع هذا اللولب نمطاً محدداً. ومع ذلك، عندما قصف الباحثون البلورة بشعاع مكثف من الأشعة السينية اللينة من ليزر إلكترون حر، حدث شيء غير متوقع. لم يكتفِ الليزر بإتلاف السطح أو إزعاج الذرات لفترة وجيزة؛ بل ثبت نمطاً مغناطيسياً جديداً تماماً لم يكن موجوداً في البلورة الأصلية. ظهر هذا النمط الجديد كإشارة متميزة في قياساتهم، بجوار الإشارة الحلزونية الأصلية مباشرة، وظل قابلاً للملاحظة بواسطة تشتت الأشعة السينية في السينكروترون بعد الإشعاع الأولي، رغم أنه يمكن كبحه ديناميكياً في الأطر الزمنية فائقة السرعة.

استخدم الباحثون آلة قوية تسمى ليزر الإلكترون الحر لإطلاق تريليونات الفوتونات من الأشعة السينية على البلورة في دفعات قصيرة جداً. تم ضبط هذه النبضات لتتجاوب مع ذرات الكروم، مما يعني أن طاقة الضوء طابقت التردد الطبيعي للإلكترونات في تلك الذرات. وبعد تعريض البلورة لحوالي اثني عشر ألف نبضة من هذه النبضات، فحصوها باستخدام مصدر آخر أقل شدة للأشعة السينية في منشأة سينكروترون. ووجدوا أنه بينما كان النمط المغناطيسي الحلزوني الأصلي لا يزال موجوداً، فقد ظهر نمط ثانٍ وجديد. كان هذا النمط الجديد مختلفاً في تباعده وقوته. لم يكن فوضى عشوائية ناتجة عن التلف؛ فقد أكد الباحثون أن التركيب الكيميائي الأساسي للبلورة ظل سليماً، مع بقاء الذرات مرتبة في إطارها الأصلي. بدلاً من ذلك، قام الضوء المكثف بتغيير البيئة المحلية بالقرب من السطح محلياً، مما أدى إلى إزاحة التوازن بين القوى بين الذرات بما يكفي للسماح لهذا النظام المنافس الجديد بالسيطرة.

كانت هذه الحالة الجديدة هشة وقصيرة العمر بمعناه المحدد. فقد وجدت فقط ضمن الطبقة العليا العشرة نانومتر من سطح البلورة، وهي منطقة تعادل عرض بضع عشرات من الذرات. داخل هذه الطبقة الرقيقة، امتد النظام المغنطيسي الجديد لمسافة تبلغ حوالي أربعة نانومتر، وهو ما يعد أقصر بكثير من النمط الحلزوني الأصلي الذي يمتد لعمق أكبر بكثير في المادة. كما كان لهذا النظام الجديد حد حرارة مختلف؛ فبينما صمد النمط الحلزوني الأصلي حتى حوالي 268 كلفن، اختفى النمط الجديد المستحث بالضو الضوء عند تسخين البلورة إلى 230 كلفن فقط. أثبت هذا الاختلاف في السلوك أن النمط الجديد هو حالة مادة متميزة، وليس مجرد قطعة مكسورة من الأصل. كما لاحظ الباحثون أن الطريقة التي يتفاعل بها النمط الجديد مع الضوء كانت مختلفة، حيث أظهر "بصمة" فريدة في طاقة الإلكترونات، مما يشير إلى أن البيئة الإلكترونية المحلية حول ذرات الكروم قد عُدلت بشكل طفيف بواسطة الليزر.

ولعل الاكتشاف الأكثر إثارة هو مدى سرعة إمكانية التحكم في هذه الحالة الجديدة. استخدم الباحثون نبضة ليزر بصرية ثانية لإثارة البلورة ثم راقبوا كيف استجاب النمط المغناطيسي الجديد. ووجدوا أن نبضة الضوء يمكنها كبح النظام الجديد بشكل فوري تقريباً، وأن النمط يتعافى في زمن يقل عن واحد بيكوثانية، أي جزء من تريليون من الثانية. تشير هذه الاستعادة السريعة إلى أن الحالة الجديدة هي سلوك جماعي ومنظم للذرات، وليست عيباً هيكلياً دائماً. إن حقيقة إمكانية إيقاف وتشغيل النمط بهذه السرعة تشير إلى أن النظام المستحث بالضوء هو حالة ديناميكية توجد في توازن دقيق مع القوى الطبيعية للمادة.

تشير النتائج إلى أن نبضات الأشعة السينية المكثفة يمكن أن تعمل كأداة دقيقة لاختيار وتثبيت الأنظمة المتنافسة في المواد التي تكون عادةً هشة جداً للحفاظ عليها. في حالة زرنيخيد الكروم، لم يدمر الليزر المادة؛ بل قام ببساطة بدفع البيئة المحلية لتفضيل تكوين مغناطيسي مختلف. وهذا يفتح طريقة جديدة للتفكير في التفاعل بين الضوء والمادة، حيث يصبح المسبار نفسه عاملاً نشطاً في تشكيل خصائص المادة. لقد أظهر الباحثون أنه من خلال ضبط الضوء بعناية، من الممكن الوصول إلى حالات خفية للمادة تكون غير مرئية في الظروف العادية. يوفر هذا العمل إثباتاً لمفهوم إمكانية استخدام نبضات الأشعة السينية الرنينية لهندسة مناظر مغناطيسية محددة في المواد الكمومية، مما يوفر مساراً محتملاً للتحكم في الخصائص الإلكترونية والمغناطيسية باستخدام الضوء بطرق كانت تُعتبر مستحيلة في السابق.