نوع تازه‌ای از آهنربا در دمای اتاق کار می‌کند
الکترون‌ها بار حمل می‌کنند، اما یک اسپین هم دارند، آهنربایی ریز و درونی که «بالا» یا «پایین» را نشان می‌دهد. اسپین‌ترونیک می‌خواهد از این اسپین برای ذخیره و پردازش اطلاعات استفاده کند. در سال‌های اخیر، فیزیک‌دانان مواد مغناطیسی‌ای با ویژگی شگفت‌انگیزی یافته‌اند: مغناطش کلی ندارند، اما انرژی الکترون‌هایشان باز هم به اسپینشان وابسته است، به گونه‌ای که با جهت حرکتشان تغییر می‌کند. این «شکافتگی اسپین» به اثرهای نسبیتی تکیه ندارد، و همین آن را بزرگ می‌کند.
در برخی از این مواد، موسوم به آلترمگنت‌ها، الگو متقارن است: الکترونی که به یک سو حرکت می‌کند و الکترونی که به سوی مخالف می‌رود، اسپین یکسانی می‌بینند. در آهنرباهای موج-p برعکس است: جهت حرکت را برگردانید، اسپین هم برمی‌گردد. تا کنون آهنرباهای موج-p گزارش‌شده فقط در دماهای پایین‌تر از نیتروژن مایع کار می‌کردند.
مارپیچی پنهان در بلوری آشنا
کایون شن، شیان‌جه چن، لیبور شمیکال و همکارانشان در دانشگاه فودان در شانگهای، دو مؤسسهٔ ماکس پلانک در درسدن، و مؤسسه‌های دیگری در چین و جمهوری چک، به سراغ بیسموت فریت (BiFeO₃) رفتند. این یکی از پرمطالعه‌ترین «چندفروئیک‌ها»ست، موادی که هم مغناطیسی‌اند و هم فروالکتریک — یعنی قطبش الکتریکی درونی دارند. این ماده تا حدود ۶۴۰ کلوین (بسیار بالاتر از دمای اتاق) نظم مغناطیسی و تا ۱٬۱۰۰ کلوین خاصیت فروالکتریک خود را حفظ می‌کند.
درون آن، گشتاورهای مغناطیسی اتم‌های آهن هم‌راستا نیستند: گام‌به‌گام در امتداد یک مارپیچ به نام سیکلوئید می‌چرخند. گروه نشان می‌دهد که این مارپیچ به‌تنهایی مغناطیس موج-p تولید می‌کند — سازوکاری که آن را پیش‌تر نادیده‌مانده توصیف می‌کنند.
نظریه، سپس لیزر
- محاسبات الکترون‌های بلور یک الگوی اسپینی موج-p تمیز با شکافتگی اسپین حدود ۱۰۰ میلی‌الکترون‌ولت نشان می‌دهد. افزودن اثرهای نسبیتی آن را به‌سختی تغییر می‌دهد: اثر از خود نظم مغناطیسی می‌آید.
- وقتی مارپیچ به سوی دیگر بچرخد — چپ‌گرد به‌جای راست‌گرد — الگوی اسپین وارونه می‌شود.
- در آزمایشگاه، یک لایهٔ ۱۰۰ نانومتری از بیسموت فریت رشد دادند و مارپیچ مغناطیسی آن را با یک حسگر کوانتومی الماس‌نوک تصویربرداری کردند.
- برای خواندن اسپین‌ها، یک لیزر با قطبش دایره‌ای بر لایه تاباندند. نوری که به یک سو می‌چرخد الکترون‌های یک اسپین را بیش از دیگری برمی‌انگیزد و جریان الکتریکی کوچکی می‌سازد که علامتش از جهت اسپین پیروی می‌کند. با چرخاندن نمونه، جریان دقیقاً در جهتی که برای قطبش اسپینی موج-p پیش‌بینی شده بود به اوج رسید. همهٔ این اندازه‌گیری‌ها در دمای اتاق و در هوای آزاد انجام شد.
برگرداندن اسپین‌ها با ولتاژ
ویژگی کلیدی: در بیسموت فریت، دست‌سانی مارپیچ به قطبش الکتریکی قفل است. یکی را وارونه کنید، دیگری هم پیروی می‌کند.
گروه تپ‌های الکتریکی حدود ۳۰۰ کیلوولت بر سانتی‌متر را از میان لایه گذراند. قطبش چرخید، مارپیچ دست‌سانی‌اش را عوض کرد، و جریان القاشده با لیزر علامتش را تغییر داد: پس از یک تپ مثبت، پس از تپ مخالف منفی. وقتی بر حسب میدان اعمال‌شده رسم شد، جریان یک حلقهٔ پسماند (hysteresis loop) ترسیم کرد که با کلیدزنی قطبش بلور مطابقت داشت. این تغییر برگشت‌پذیر است و پس از تپ پابرجا می‌ماند.
تپ‌های الکتریکی قطبش و دست‌سانی مارپیچ را برمی‌گردانند (a)؛ دستگاه (b)؛ جریان اسپینی علامتش را وارونه می‌کند (c) و بر حسب میدان الکتریکی یک حلقهٔ پسماند را دنبال می‌کند (d). — Figure 3, Shen et al. (2026), arXiv:2610.12892.
از سرما تا روی میز
نویسندگان آن را آهنربایی با شکافتگی اسپینِ پاریتهٔ فرد معرفی می‌کنند که در دمای اتاق با ولتاژ کنترل می‌شود، و آن را راهی به سوی دستگاه‌های اسپین‌ترونیکی کم‌مصرف می‌بینند. نتایج از لایه‌های نازک در آزمایشگاه به دست آمده‌اند؛ فراتر از کلیدزنی سیگنال اندازه‌گیری‌شده، هنوز هیچ دستگاهی نمایش داده نشده است.