دانشمندان نوع سومی از مغناطیس را کشف کردند که می‌تواند فناوری کوانتومی را متحول کند

برای چند دهه، دنیای مغناطیس از نظر علمی نسبتاً ساده به نظر می‌رسید. مواد مغناطیسی در دو گروه اصلی قرار می‌گرفتند: فرومغناطیس‌ها و پادفرومغناطیس‌ها.

تصور می‌شد تمام مواد مغناطیسی را می‌توان در یکی از این دو دسته جای داد؛ بااین‌حال، طی چند سال گذشته این تصویر ساده تغییر کرده است. دانشمندان به وجود نوع سومی از مغناطیس با نام «آلترمغناطیس» (Altermagnetism) پی برده‌اند؛ پدیده‌ای که ابتدا تنها در حد یک فرضیه مطرح بود، اما اکنون شواهد علمی محکمی از وجود آن به دست آمده است.

پژوهشگران آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده اسلَک (SLAC) در دانشگاه استنفورد موفق شده‌اند آخرین قطعه گمشده این پازل علمی را پیدا کنند و شواهد تجربی لازم برای تأیید این نوع جدید مغناطیس را ارائه دهند.

برای درک اهمیت این کشف، ابتدا باید تفاوت دو نوع شناخته‌شده مغناطیس را مرور کنیم. در مواد فرومغناطیسی، اسپین الکترون‌ها همگی در یک جهت قرار می‌گیرد و در نتیجه، میدان مغناطیسی خالص و قابل‌اندازه‌گیری ایجاد می‌شود. آهن‌رباهای معمولی نمونه آشنایی از این دسته هستند.

در مقابل، مواد پادفرومغناطیسی دارای اسپین‌های الکترونی متناوب در جهت‌های مخالف هستند. این آرایش باعث می‌شود اثر مغناطیسی الکترون‌ها یکدیگر را خنثی کند و ماده در مقیاس کلی میدان مغناطیسی خالصی نداشته باشد.

اما آلترمغناطیس جایی میان این دو رفتار قرار نمی‌گیرد، بلکه نوعی نظم مغناطیسی مستقل است که ویژگی‌های متمایزی از هر دو گروه دارد. در این مواد، اسپین‌های الکترونی مانند پادفرومغناطیس‌ها در جهت‌های مخالف قرار می‌گیرند و یکدیگر را خنثی می‌کنند؛ بااین‌حال، ساختار بلوری ماده باعث می‌شود الکترون‌ها ویژگی‌هایی متفاوت از پادفرومغناطیس‌های معمولی داشته باشند. به بیان ساده‌تر، ماده میدان مغناطیسی خالص تولید نمی‌کند، اما همچنان می‌تواند رفتارهای اسپینی خاصی از خود نشان دهد.

دنیل یوست، دانشمند وابسته به آزمایشگاه SLAC و نویسنده اصلی پژوهش جدید، در بیانیه‌ای مطبوعاتی گفت

طی چند سال گذشته، دانشمندان پدیده‌هایی را مشاهده کرده‌اند که به‌راحتی در دوگانگی فرومغناطیس و پادفرومغناطیس جای نمی‌گیرند. پژوهشگران شواهدی از وجود نوع سومی از مغناطیس جمع‌آوری کرده‌اند که ویژگی‌های این دو گروه را به یکدیگر پیوند می‌دهد. ما معتقدیم نتایج پژوهشمان تأیید تجربی محکمی ارائه می‌کنند که نشان می‌دهد این فاز سوم، یعنی آلترمغناطیس، واقعاً وجود دارد.

دانشمندان برای دهه‌ها متوجه شده بودند که برخی مواد دقیقاً با تعریف ساده فرومغناطیس یا پادفرومغناطیس سازگار نیستند. برای مثال، تلورید منگنز (MnTe) ویژگی‌هایی از هر دو گروه نشان می‌دهد. اسپین‌های الکترونی در این ماده مانند پادفرومغناطیس‌ها به‌صورت متناوب در جهت‌های مخالف قرار می‌گیرند و یکدیگر را خنثی می‌کنند؛ اما برخلاف پادفرومغناطیس‌های معمولی، این ماده می‌تواند جریان اسپینی را انتقال دهد؛ قابلیتی که اهمیت زیادی در فناوری‌های الکترونیکی نسل آینده دارد.

جریان اسپینی به انتقال اسپین الکترون‌ها گفته می‌شود و برخلاف جریان الکتریکی معمولی، لزوماً به جابه‌جایی بار الکتریکی وابسته نیست. این ویژگی در حوزه‌ای به نام اسپینترونیک (Spintronics) کاربرد دارد؛ فناوری‌ای که به‌جای تکیه صرف بر بار الکتریکی، از اسپین الکترون‌ها برای پردازش و ذخیره اطلاعات استفاده می‌کند.

دانشمندان در سال ۲۰۲۲ سرانجام نام آلترمغناطیس را برای توصیف این پدیده انتخاب کردند و دو سال بعد، شواهد بیشتری از وجود آن به دست آمد.

برای اثبات تجربی این پدیده، نویسندگان پژوهش جدید نمونه‌هایی از تلورید منگنز را که پیش‌تر تصور می‌شد صرفاً رفتاری پادفرومغناطیسی دارد، به مرکز تابش سینکروترون اروپایی (ESRF) بردند. هدف آن‌ها بررسی ویژگی‌ای به نام کایرالیته (Chirality) یا دست‌سانی ماده بود.

شناخت کایرالیته برای تمایز میان آلترمغناطیس‌ها و پادفرومغناطیس‌ها اهمیت دارد؛ زیرا هر دو گروه دارای اسپین‌های متناوب و در نتیجه فاقد مغناطیس خالص هستند. بااین‌حال، ساختار شبکه بلوری تلورید منگنز می‌تواند ویژگی کایرال و متمایزی ایجاد کند.

کایرالیته به ویژگی ساختارهایی گفته می‌شود که تصویر آینه‌ای آن‌ها را نمی‌توان با چرخاندن روی ساختار اصلی منطبق کرد؛ درست مانند تفاوت دست راست و چپ. این ویژگی در برخی مواد باعث می‌شود نحوه تعامل آن‌ها با نور و پرتوهای قطبیده متفاوت باشد.

پژوهشگران در مرکز ESRF پرتوهای اشعه ایکس قطبیده را به نمونه تاباندند و سپس نتایج به‌دست‌آمده را بررسی کردند.

مواد کایرال، پرتوهای اشعه ایکس قطبیده با جهت چرخش چپ‌گرد را متفاوت از پرتوهای راست‌گرد پراکنده می‌کنند. در مقابل، مواد غیرکایرال هر دو نوع پرتو را به شکل یکسان پراکنده می‌کنند.

یوست در توضیح این آزمایش گفت

مواد کایرال پرتوهای اشعه ایکس قطبیده چپ‌گرد را به شکلی متفاوت از پرتوهای راست‌گرد پراکنده می‌کنند. مواد غیرکایرال هر دو نوع نور را به یک شکل پراکنده خواهند کرد.

نتایج آزمایش وجود یک سیگنال کایرال را نشان داد؛ سیگنالی که در مواد پادفرومغناطیسی معمولی مشاهده نمی‌شود. گروه پژوهشی نخستین‌بار در سال ۲۰۲۴ به این نتایج دست پیدا کرد و در سال بعد نیز آن‌ها را تأیید کرد.

یوست در ادامه گفت

این اثر انگشت کایرال، مبنای تجربی محکمی در اختیار ما قرار داد تا بگوییم آلترمغناطیس به‌تنهایی یک دسته مستقل از مواد مغناطیسی محسوب می‌شود.

اهمیت این کشف تنها به شناسایی یک پدیده فیزیکی جدید محدود نمی‌شود. آلترمغناطیس‌ها می‌توانند به یکی از اجزای مهم فناوری‌های کوانتومی و حافظه‌های نسل آینده تبدیل شوند. این مواد به‌اندازه پادفرومغناطیس‌ها پایدار هستند و به دلیل نداشتن مغناطیس خالص، مشکلات ناشی از میدان مغناطیسی خارجی را ایجاد نمی‌کنند. در عین حال، ساختار اسپینی آن‌ها امکان بهره‌گیری از قابلیت‌هایی را فراهم می‌کند که پیش‌تر بیشتر در فرومغناطیس‌ها شناخته شده بودند.

این ویژگی می‌تواند برای ساخت حافظه‌هایی سریع‌تر و کم‌مصرف‌تر اهمیت داشته باشد؛ چراکه مهندسان قادر خواهند بود اطلاعات را با استفاده از اسپین الکترون‌ها پردازش و ذخیره کنند، بدون اینکه به میدان مغناطیسی خالص و گسترده‌ای نیاز داشته باشند.

یوست در جمع‌بندی این ویژگی‌ها گفت

آلترمغناطیس‌ها بهترین ویژگی‌های هر دو جهان را با یکدیگر ترکیب می‌کنند.

این کشف می‌تواند مسیر تازه‌ای برای توسعه تجهیزات کوانتومی و فناوری‌های ذخیره‌سازی اطلاعات باز کند؛ هرچند هنوز برای تبدیل این یافته علمی به محصولات تجاری و فناوری‌های کاربردی، به تحقیقات بیشتری نیاز است.

برای ارزیابی پایداری، امنیت و نگهداری این زیرساخت، راهنمای پشتیبانی شبکه را نیز مطالعه کنید.