Phonon-mode-specific spin-flip scattering dictated ultrafast demagnetization in a van der Waals ferromagnet

في عالم التكنولوجيا الحديثة، تعتمد القدرة على تخزين ومعالجة المعلومات بشكل كبير على الخصائص المغناطيسية للمواد. ولعقود من الزمن، سعى العلماء لجعل هذه الأجهزة المغناطيسية أسرع وأكثر كفاءة من خلال التحكم في العزوم المغناطيسية الضئيلة للإلكترونات، وهي خاصية تُعرف باسم "اللف المغزلي" (spin). عندما تُضرب مادة مغناطيسية بنبضة ضوئية، يمكن لمغناطيسيتها أن تتلاشى في جزء من الثانية، وهي عملية تسمى "إلغاء المغناطيسية فائق السرعة". إن فهم كيفية حدوث ذلك بدقة أمر بالغ الأهمف لبناء الجيل القادم من الذاكرة عالية السرعة. لفترة طويلة، نظر الباحثون إلى الذرات داخل المادة الصلبة كأنها حشد فوضوي وغير متمايز من الاهتزازات، أو ما يسمى "الفونونات"، التي تمتص الطاقة ببساطة وتساعد في تبريد النظام. ومع ذلك، تشير رؤية جديدة إلى أن ليست كل الاهتزازات متشابهة؛ فبعض أنواع الهزات الذرية المحددة قد تكون أكثر فعالية بكثير في بعثرة اللفات المغناطيسية من غيرها، مما يجعلها المحركات الحقيقية لمدى سرعة اختفاء المغناطيسية.

لقد قدم فريق من الباحثين في جامعة نانجينغ ومعهم متعاونون دوليون الآن دليلاً مباشراً على هذه الفكرة باستخدام نوع خاص من المواد المغناطيسية يسمى "فيرومان فان دير فالس" (van der Waals ferromagnet)، وتحديداً طبقة رقيقة من تيلوريد الكروم. تتكون هذه المواد من طبقات رقيقة ذرياً تتماسك ببعضها عبر قوى ضعيفة، مما يجعلها مثالية لدراسة كيفية تفاعل الضوء والكهرباء والمغناطيسية على مقياس مجهري. أراد العلماء حل لغز: لماذا تتغير السرعة التي تفقد بها هذه المادة مغناطيسيتها اعتماداً على درجة الحرارة؟ ومن خلال الجمع بين تجارب الليزر عالية السرعة والمحاكاة الحاسوبية التفصيلية، اكتشفوا أن الإجابة تكمن في أي نوع محدد من الاهتزازات الذرية هو الذي يقوم بالمهمة. ووجدوا أنه عند درجات الحرارة المنخفضة، يهيمن نوع واحد من الاهتزازات على العملية، ولكن مع ارتفاع درجة حرارة المادة، يتولى نوع آخر من الاهتزازات المهمة، مما يؤدي إلى إبطاء فقدان المغناطيسية.

بدأ الباحثون بتنمية فيلم عالي الجودة مكون من عشر طبقات من تيلوريد الكروم على ركيزة من زرنيخيد الغاليوم. ثم استخدموا تقنية تسمى "تأثير كير المغناطيسي المعتمد على الزمن"، والتي تتضمن إطلاق نبضة ليزر قصيرة لإزعاج مغناطيسية المادة ونبضة ثانية أضعف لقياس كيفية تعافي المغناطيسية بمرور الوقت. وقد لاحظوا عملية نموذجية تتكون من خطوتين: تنخفض المغناطيسية بشكل فوري تقريباً، يليه انخفاض أبطأ وأكثر تدريجياً. ولفهم الفيزياء الكامنة وراء ذلك، طبقوا إطاراً نظرياً يعامل الإلكترونات واللفات المغزلية والشبكة الذرية كأنظمة ثلاثة منفصلة ولكنها متصلة تتبادل الطاقة. ومن خلال مطابقة بياناتهم التجريبية مع هذا النموذج، قاموا بحساب احتمالية "انقلاب اللف" (spin flip) — وهو الحدث الذي ينعكس فيه الاتجاه المغناطيسي للإلكترون — أثناء التصادم مع ذرة مهتزة. وأظهرت حساباتهم أنه مع ارتفاع درجة الحرارة من 80 إلى 200 كلفن، انخفضت احتمالية هذه الانقلابات المغزلية بشكل كبير، مما يعني أن اللفات أصبحت أصعب في البعثرة عند درجات الحرارة الأعلى.

ولمعرفة سبب تغير هذه الاحتمالية، لجأ الفريق إلى "مطيافية رامان"، وهي طريقة تقيس كيفية تشتت الضوء في المادة للكشف عن الترددات المحددة لاهتزازاتها الذرية. وقد حددوا نوعين رئيسيين من الاهتزازات في فيلم تيلوريد الكروم: أحدهما حيث تتحرك الذرات ذهاباً وإياباً داخل مستوى الطبقات، والآخر حيث تتحرك للأعلى والأسفل، بشكل عمودي على الطبقات. ومن خلال تحليل كيفية تغير قوة التفاعل بين الإلكترونات وهذه الاهتزازات المحددة مع درجة الحرارة، وجدوا تحولاً واضحاً. ففي درجات الحرارة المنخفضة، كانت الاهتزازات "داخل المستوى" هي السبب الرئيسي في انقلابات اللف. ومع ذلك، مع ارتفاع درجة حرارة المادة، زادت مساهمة الاهتزازات "العمودية"، بينما تضاءل دور الاهتزازات "داخل المستوى". هذا إعادة توزيع النشاط اقترح أن المادة تنتقل من آلية إلغاء مغناطيسية إلى أخرى مع تسخينها.

وللتأكد من أن هذه الاهتزازات المختلفة تمتلك بالفعل قدرات مختلفة لتدمير المغناطيسية، أجرى الباحثون محاكاة حاسوبية معقدة قائمة على ميكانيكا الكم. قاموا بنمذجة المادة وحفزوا اصطناعياً حركات ذرية محددة لكل من الاهتزازات داخل المستوى والاهتزازات العمودية لمعرفة ما سيحدث لـ "اللفات المغزلية" للإلكترونات. وكانت النت النتائج حاسمة: تسببت الاهتزازات داخل المستوى في فقدان أكبر وأسرع للعزم المغناطيسي مقارنة بالاهتزازات العمودية. وأظهرت المحاكاة أن الحركة داخل المستوى خلقت اضطراباً أقوى في البنية الإلكترونية، مما أدى إلى نقل طاقة أكثر كفاءة تسببت في بعثرة اللفات. وفي المقابل، كانت الحركة للأعلى والأسفل أقل فعالية في تعطيل النظام المغناطيسي. وقد أكد ذلك أن النوع المحدد من الاهتمامات يهم للغاية؛ فبعضها ببساطة أفضل من غيره في تحويل النظام المغناطيسي إلى فوضى.

ثم ربط الفريق هذه النتائج لتفسير الاعتماد على درجة الحرارة الذي لاحظوه في المختبر. فمع تسخين المادة، تتمدد قليلاً، تماماً مثل جسر معدني يتمدد في يوم حار. وهذا التمدد الضئيل يغير كيفية تداخل الذرات وكيفية تفاعل إلكتروناتها، وهي ظاهرة تُعرف باسم "التهجين المداري" (orbital hybridization). وحدد الباحثون أن هذا التمدد الحراري يجعل الاهتزازات العمودية أكثر فعالية في الاقتران مع حالات لف الإلكترونات، رغم أنها بطبيعتها أقل كفاءة من الاهتزازات داخل المستوى. وبناءً على ذلك، عند درجات الحرارة المرتفعة، تعتمد المادة بشكل أكبر على هذه الآلية العمودية الأقل كفاءة، مما يفسر سبب تباطؤ عملية إلغاء المغناطيسية وانخفاض احتمالية انقلاب اللف. إن هذه الرؤية تتجاوز النظرة القديمة للشبكة الذرية كحمام موحد للطاقة، وتكشف بدلاً من ذلك عن مشهد دقيق حيث تلعب أنماط اهتزاز محددة أدواراً متميزة تعتمد على درجة الحرارة.

يغير هذا العمل بشكل جذري فهم العلماء للسرعات القصوى للمواد المغناطيسية. فمن خلال إظهار أن كفاءة استرخاء اللف تعتمد على نوع الاهتزاز الذري النشط، توفر الدراسة إطاراً جديداً للتحكم في العمليات المغناطيسية فائقة السرعة. وتشير النتائج إلى أنه من خلال هندسة المواد لتفضيل أو كبح أنماط اهتزاز معينة، قد يكون من الممكن ضبط سرعة التبديل المغناطيسي لأجهزة الحوسبة المستقبلية. لقد أثبت الباحثون أن الطريق من الضوء إلى فقدان المغناطيسية ليس طريقاً واحداً موحداً، بل هو شبكة معقدة من القنوات، لكل منها سرعتها وكفاءتها الخاصة، والتي تمليها الطريقة الدقيقة لحركة الذرات.