العلماء يصنعون بلورة جديدة تحوِّل المغناطيسية إلى دوامات غريبة

ومن خلال إجبار الهياكل البلورية على التنافس، اكتشف العلماء طريقة جديدة لتحريف المغناطيسية.

جامعة ولاية فلوريدا مثل العلماء مادة بلورية جديدة يختلف سلوكها المغناطيسي بشكل حاد عن سلوك المغناطيس التقليدي، مما يفتح مسارات محتملة نحو التقدم في تخزين البيانات والتكنولوجيا الكمومية.

الإبلاغ عن نتائجهم في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكيةأثبت الفريق أن الجمع بين مادتين متشابهتين كيميائيًا مع هياكل بلورية متميزة يمكن أن ينتج بنية جديدة تمامًا. تعرض هذه المادة المشكلة حديثًا خصائص مغناطيسية تختلف عن تلك الموجودة في أي من المركبات الأصلية.

تنشأ المغناطيسية لأن الذرات تتصرف مثل مغناطيسات صغيرة، نتيجة لخاصية تسمى الدوران الذري. يمكن تصوير كل دورة على شكل سهم صغير يشير إلى اتجاه ذرةالمجال المغناطيسي. في المواد المغناطيسية العادية، تصطف أعداد كبيرة من هذه السبينات بطريقة منظمة، إما تشير إلى نفس الاتجاه أو في أنماط متعارضة. تؤدي هذه المحاذاة الجماعية إلى ظهور المغناطيسية المألوفة المستخدمة في أجهزة مثل أجهزة الكمبيوتر والهواتف الذكية.

وجد الباحثون في ولاية فلوريدا أن طريقتهم تؤدي إلى ترتيبات دوران أكثر تعقيدًا. وبدلا من الاصطفاف بشكل موحد، تنتظم السبينات الذرية في أنماط دوامية متكررة. تؤثر هذه الهياكل، المعروفة باسم القوام المغزلي، بقوة على كيفية تصرف المادة مغناطيسيًا وتميزها عن المغناطيس التقليدي.

كيف يعمل

ولإنشاء المادة، قام الفريق بمزج مركبين متقاربين في التركيب الكيميائي ولكنهما يختلفان في تماثل بنيتهما البلورية. وعندما تلتقي هذه الهياكل غير المتطابقة، فإنها تولد ما يسميه العلماء “الإحباط”، مما يعني أن أياً من الهياكل غير مستقر تمامًا عند الحدود بين التركيبتين. يلعب عدم الاستقرار هذا دورًا رئيسيًا في إنتاج الأنماط المغناطيسية غير العادية التي لوحظت في البلورة الجديدة.

قال المؤلف المشارك مايكل شاتروك، الأستاذ في قسم الكيمياء والكيمياء الحيوية بجامعة ولاية فلوريدا: “اعتقدنا أنه ربما يترجم هذا الإحباط الهيكلي إلى إحباط مغناطيسي”. “إذا كانت الهياكل في حالة تنافس، فربما يؤدي ذلك إلى التواء السبينات. دعونا نجد بعض الهياكل المتقاربة كيميائيًا ولكن لها تماثلات مختلفة.”

لقد قاموا بدمج مركب من المنغنيز والكوبالت والجرمانيوم مع مركب من المنغنيز والكوبالت والزرنيخ. الجرمانيوم والزرنيخ جيران في الجدول الدوري.

وبعد أن تحول الخليط إلى بلورات، قام فريق البحث بفحص المنتج ووجدوا القوام الدوراني المميز الذي كانوا يبحثون عنه. تُعرف مثل هذه الدوامات من السبينات باسم القوام المغزلي الشبيه بالسكيرميون، ويعتبر البحث عن المزيد من الطرق للعثور على المواد المضيفة للسكيرميون ومعالجتها مجالًا بحثيًا متطورًا في الكيمياء والفيزياء.

لتحديد هذا الهيكل المغناطيسي الذي يشبه Skyrmion، قام الفريق بجمع بيانات حيود النيوترونات أحادية البلورة على أداة TOPAZ في مصدر Spallation Neutron Source، وهو مرفق مستخدم تابع لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية في مختبر أوك ريدج الوطني.

لماذا يهم

يمكن استخدام هذا البحث لتطوير محركات أقراص ثابتة ذات كثافة معلومات أكبر أو تحسين كفاءة نقل الإلكترونات. نظرًا لأن استخدام المغناطيس لتحريك السكايرميونات يستهلك القليل من الطاقة، فإن دمج المواد ذات هذه الأنماط المغناطيسية في الأجهزة الإلكترونية يمكن أن يقلل من استهلاك الطاقة. في أجهزة الكمبيوتر العملاقة الضخمة التي تحتوي على آلاف المعالجات، يمكن أن تؤدي أحمال الطاقة المنخفضة هذه إلى توفير كبير في تكاليف الكهرباء والتبريد.

يمكن أن يساعد البحث أيضًا في توجيه العلماء والمهندسين نحو مواد واعدة يمكن أن تساعد في تطوير مقاومة للأخطاء الحوسبة الكموميةوالتي يمكنها حماية المعلومات الكمومية الهشة والعمل بشكل موثوق على الرغم من الأخطاء والضوضاء – وهو الكأس المقدسة لمعالجة المعلومات الكمومية.

قال شياو بينغ وانغ، عالم تشتت النيوترونات المتميز في مختبر أوك ريدج الوطني: “بفضل بيانات حيود النيوترونات أحادية البلورة من توباز وأدوات جديدة لتقليل البيانات والتعلم الآلي من مشروع LDRD، يمكننا الآن حل الهياكل المغناطيسية المعقدة للغاية بثقة أكبر بكثير”. “تتيح لنا هذه الإمكانية الانتقال من مجرد العثور على أنسجة تدور غير عادية إلى تصميمها وتحسينها عمدًا من أجل المعلومات المستقبلية والتقنيات الكمومية.”

“التفكير الكيميائي” والمواد حسب التصميم

كانت الأبحاث السابقة حول Skyrmions والأنسجة الدورانية المعقدة ذات الصلة أشبه بالصيد: دراسة المواد المختلفة التي من المحتمل أن تكون هذه الأشكال المغناطيسية موجودة فيها وقياس خصائصها للتأكد.

اتخذت هذه الدراسة نهجا مختلفا. ومن خلال إنشاء مادة جديدة والاستفادة من الفكرة المبتكرة للإحباط الهيكلي، سعى الباحثون إلى فهم أفضل للمبادئ التي تؤدي إلى تطوير أنماط مغناطيسية جديدة.

وقال شاتروك: “إنه تفكير كيميائي، لأننا نفكر في كيفية تأثير التوازن بين هذه الهياكل عليها وعلى العلاقة بينها، ومن ثم كيف يمكن أن يترجم ذلك إلى العلاقة بين الدوران الذري”.

هذا الفهم للعلوم الأساسية في العمل يمكن أن يشير إلى اتجاهات واعدة للأبحاث المستقبلية.

يقول المؤلف المشارك إيان كامبل، وهو طالب دراسات عليا في مختبر شاتروك: “الفكرة هي أن نكون قادرين على التنبؤ بمكان ظهور هذه الأنسجة المعقدة”. “تقليديًا، يبحث الفيزيائيون عن المواد المعروفة التي تظهر بالفعل التماثل الذي يبحثون عنه ويقيسون خصائصها. لكن هذا يحد من نطاق الاحتمالات. نحن نحاول تطوير قدرة تنبؤية لنقول: “إذا أضفنا هذين الأمرين معًا، فسنشكل مادة جديدة تمامًا بهذه الخصائص المرغوبة”.

وتتمثل إحدى فوائد هذا النهج في القدرة على توسيع قائمة المكونات لصنع المواد التي تحتوي على قوام مغزلي يشبه السكايرميون، مما يسمح ببلورات أرخص وأسهل في النمو وسلسلة توريد أكثر قوة للتقنيات المستقبلية التي قد تستفيد من مثل هذه المواد.

المرجع: “القوام المغزلي الشبيه بـ Skyrmion الناشئة في المواد المشتقة من الإحباط الهيكلي” بقلم YiXu Wang، Ian Campbell، Zachary P. Tener، Judith K. Clark، Jacnel Graterol، Andrei Rogalev، Fabrice Wilhelm، Hu Zhang، Yi Long، Richard Dronskowski، Xiaoping Wang and Michael Shatruk، 12 نوفمبر 2025، مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية.
دوى: 10.1021/jacs.5c12764

تم دعم هذا البحث من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم. استخدمت الدراسة مرافق في جامعة ولاية فلوريدا ومختبر أوك ريدج الوطني.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.