نوع جديد من المغانط يعمل في درجة حرارة الغرفة

تحمل الإلكترونات شحنة، لكنها تحمل أيضًا لفًّا مغزليًا (spin)، وهو مغناطيس دقيق مدمج يشير «إلى أعلى» أو «إلى أسفل». وتسعى الإلكترونيات المغزلية (spintronics) إلى استخدام هذا اللف لتخزين المعلومات ومعالجتها. وفي السنوات الأخيرة، وجد الفيزيائيون مواد مغناطيسية ذات خاصية لافتة: لا مغنطة إجمالية لها، ومع ذلك تبقى طاقة إلكتروناتها معتمدة على لفّها المغزلي، بطريقة تتغير مع اتجاه حركتها. ولا يعتمد هذا «الانقسام المغزلي» على التأثيرات النسبية، مما يجعله كبيرًا.

في بعض هذه المواد، المسمّاة المغانط المتناوبة (altermagnets)، يكون النمط متناظرًا: الإلكترون المتحرك في اتجاه والإلكترون المتحرك في الاتجاه المعاكس يريان اللف المغزلي نفسه. أما في مغانط الموجة p فالعكس: اقلب اتجاه الحركة ينقلب اللف المغزلي أيضًا. وحتى الآن، لم تكن مغانط الموجة p المُبلَّغ عنها تعمل إلا تحت درجة حرارة النيتروجين السائل.

حلزون مخبّأ في بلّورة مألوفة

اتجه كايوين شين وشيانجه تشن وليبور شمييكال وزملاؤهم في جامعة فودان في شنغهاي، ومعهدَي ماكس بلانك في دريسدن، ومؤسسات أخرى في الصين والتشيك، إلى فيريت البزموت (BiFeO₃). وهو من أكثر «المواد متعددة الحديدية» (multiferroics) دراسةً، وهي مواد مغناطيسية وكهروحديدية (ferroelectric) معًا — أي تحمل استقطابًا كهربائيًا مدمجًا. ويبقى منتظمًا مغناطيسيًا حتى نحو 640 كلفن (أعلى بكثير من حرارة الغرفة) وكهروحديديًا حتى 1,100 كلفن.

في داخله، لا تكون العزوم المغناطيسية لذرات الحديد مصطفّة: بل تدور خطوة خطوة على طول حلزون يُسمّى الدويري (cycloid). ويبيّن الفريق أن هذا الحلزون وحده يولّد مغناطيسية الموجة p — وهي آلية يصفونها بأنها أُغفلت من قبل.

النظرية أولًا، ثم الليزر

• تُظهر حسابات إلكترونات البلّورة نمطًا مغزليًا واضحًا من نوع الموجة p، بانقسام مغزلي يبلغ نحو 100 ميلي إلكترون فولت. وإضافة التأثيرات النسبية لا تكاد تغيّره: فالأثر نابع من الترتيب المغناطيسي نفسه.
• حين يدور الحلزون في الاتجاه الآخر — يساريًّا بدلًا من يمينيّ — ينعكس النمط المغزلي.
• وفي المختبر، نمّوا غشاءً بسماكة 100 نانومتر من فيريت البزموت، وصوّروا حلزونه المغناطيسي بمستشعر كمومي ذي رأس ماسي.
• ولقراءة اللف المغزلي، سلّطوا على الغشاء ليزرًا مستقطبًا دائريًا. فالضوء الذي يدور في اتجاه واحد يثير إلكترونات أحد اتجاهي اللف أكثر من الآخر، فيولّد تيارًا كهربائيًا صغيرًا تتبع إشارته اتجاه اللف. وحين أداروا العيّنة، بلغ التيار ذروته بالضبط في الاتجاه المتوقع لاستقطاب الموجة p المغزلي. وأُجريت كل هذه القياسات في درجة حرارة الغرفة، في الهواء الطلق.

قلب اللف المغزلي بجهد كهربائي

السمة الأساسية: في فيريت البزموت، يكون اتجاه التفاف الحلزون مقفلًا على الاستقطاب الكهربائي. اعكس أحدهما يتبعه الآخر.

سلّط الفريق نبضات كهربائية شدتها نحو 300 كيلوفولت لكل سنتيمتر عبر الغشاء. فدار الاستقطاب، وغيّر الحلزون اتجاه التفافه، وانعكست إشارة التيار المستحث بالليزر: موجبة بعد نبضة، وسالبة بعد النبضة المعاكسة. وحين رُسم التيار مقابل المجال المطبَّق، رسم حلقة تخلّف (hysteresis) تطابق انقلاب استقطاب البلّورة. والتغيّر قابل للعكس، ويبقى قائمًا بعد النبضة.

تقلب النبضات الكهربائية الاستقطاب واتجاه التفاف الحلزون (a)؛ الجهاز (b)؛ تنعكس إشارة التيار المغزلي (c) ويتبع حلقة تخلّف مقابل المجال الكهربائي (d). — الشكل 3، Shen وآخرون (2026)، arXiv:2610.12892.

من البرد إلى سطح المكتب

يقدّمه المؤلفون بوصفه مغناطيسًا ذا انقسام مغزلي فردي التماثل يُتحكَّم فيه بجهد كهربائي في درجة حرارة الغرفة، ويرون فيه طريقًا نحو أجهزة إلكترونيات مغزلية قليلة الاستهلاك للطاقة. وتأتي النتائج من أغشية رقيقة في المختبر؛ ولم يُعرض بعد أي جهاز يتجاوز قلب الإشارة المقيسة.