مخطط الطور والبصمات الطيفية لمادة فائقة الصلابة في مغناطيس إيزينغ الكمي K2Co(SeO3)2

عالم غريب من المواد الصلبة التي تتدفق

تخيل مادة تكون في الوقت نفسه بلورة صلبة وصلبة وسائل عديمة الاحتكاك. هذا الحالة المتناقضة، المسماة «فائقة الصلابة»، أثارت فضول الفيزيائيين لعقود لكنها بقيت صعبة الإثبات في مواد حقيقية. في هذا العمل، يبيّن الباحثون أن مغناطيسًا قائمًا على الكوبالت، K2Co(SeO3)2، يتصرف تمامًا بهذه الطريقة الغريبة. من خلال رسم خريطة دقيقة لكيفية ترتيب وتبدد سبيناته — المغناطيسات الذرية الصغيرة — تحت برودة شديدة وحقول مغناطيسية قوية، يكشفون عن طورين متميزين من الفائقة الصلابة، فاتحين نافذة تجريبية جديدة على بعض أغرب أشكال المادة الكمومية.

ملعب مغناطيسي مسطح

السر وراء هذا الاكتشاف هو الهندسة والاحباط المغناطيسي. في K2Co(SeO3)2، تجلس أيونات الكوبالت المغناطيسية على طبقات مثلثية مسطحة. على مثل هذه الشبكة، تفضل السبينات المجاورة أن تشير في اتجاهين متعاكسين، لكن ثلاثة سبينات على مثلث لا يمكنها جميعًا أن تحقق هذا الشرط في آن واحد. هذا «الاحباط» يؤدي إلى عدد هائل من التراكيب المتقاربة الطاقة، مثل رزمة أوراق مبعثرة حيث تكلف العديد من الأنماط نفس الطاقة تقريبًا. عند حقل مغناطيسي صفري وحرارة منخفضة، تُظهر تجارب التشتت بالنيوترونات أن السبينات تختار نمطًا متكررًا بوحدة خلوية أوسع من ثلاث مواقع، محطمًا الانتظام البسيط للبلورة. وفي الوقت نفسه، لا تتجمد السبينات تمامًا: فحجم العزم المرتب منخفض بشدة، مشيرًا إلى حركة كمية مكثفة تبقي النظام معلقًا بين النظام والاضطراب.

عندما يتعايش النظام والتدفق

لكي يحددوا ما إذا كانت هذه الحالة المضطربة فائقة الصلابة، نظر الفريق إلى كيفية تحرك السبينات، وليس فقط إلى ترتيبها. باستخدام مطيافية نيوترون حساسة جدًا، وجدوا أن النظام يدعم نطاقات عريضة من الإثارات المغناطيسية بدلاً من الأمواج الحادة المتوقعة في مغناطيس بسيط. عند متجه موجي خاص تحدده البنية المثلثية، لاحظوا مكونين أساسيين معًا: نمط طاقته تصل إلى الصفر تمامًا ونمط آخر بفجوة صغيرة لكنها نهائية. بلغة التناظر، تشير هذه السمات إلى أن النظام يكسر في الوقت نفسه تناظر دوران مستمر للسبين (مشابه للسائل فوقي القادر على التدفق بدون مقاومة) وتناظر إزاحة متقطع (مشابه لبلورة ذات نمط كثافي متكرر). معًا، هذان هما العلامتان التوأم للفائقة الصلابة في هذا السياق المغناطيسي.

خريطة طور كمية تحت المجال المغناطيسي

تطبيق حقل مغناطيسي على طول المحور السهل للسبينات يتيح للباحثين ضبط التوازن بين التراكيب المتنافسة. تكشف قياسات السعة الحرارية والمغنطة على مدى واسع من درجات الحرارة والحقول عن مخطط طور مفصل. عند حقول متوسطة، تستقر السبينات في نمط «أعلى–أعلى–أسفل» على كل مثلث، مما يؤدي إلى صفيحة متينة حيث تقفل المغنطة على ثُلث قيمتها القصوى. يتصرف هذا الانتقال الطوري كما هو متوقع من نموذج بوتس ثنائي الأبعاد المعروف، مؤكدًا أن التفاعلات الأساسية قريبة جدًا من حالة نظرية مثالية. عند حقول أدنى، تُظهر البيانات أن النظام ينتقل بسلاسة إلى طور الفائقة الصلابة منخفض الحقل، حيث تكسر أطوال الترابط الطويلة ولكن غير اللانهائية تناظر الثلاثة فرعي الخلايا حتى في الحقل الصفري.

فائقة صلابة ثانية بالقرب من الاستقطاب الكامل

المفاجآت لا تنتهي عند الحقول العالية. مع اقتراب المغنطة من التشبع، تكشف قياسات مفصلة للمغنطة والانتروبيا عن طور إضافي محصور بين صفيحة الثُلث والحالة المصطفة بالكامل. تتنبأ النظرية لنفس نموذج الشبكة المثلثية أنه في نافذة هذا الحقل يستضيف النظام مرة أخرى فائقة صلابة: تكون السبينات تقريبًا مصطفة بالكامل، لكن جزءًا صغيرًا لا يزال قادرًا على التحرك بتماسك، مؤديًا إلى حالة مختلطة تجمع بين نمط جامد وتدفق كمومي. تتطابق التجربة مع هذه التنبؤات، بما في ذلك القفزة الحادة الشبيهة بأول-رتبة المتوقعة عند الدخول إلى هذه الفائقة الصلابة عند الحقول العالية. من خلال تحليل طيف موجات السبين في طور الصفيحة، يحدد الفريق أيضًا قوى التفاعل ويُظهر أن الجيران الأقرب فقط هم المهمون بشكل كبير، مما يجعل K2Co(SeO3)2 تجسيدًا نقيًا غير اعتيادي للنموذج المثالي.

لماذا يهم هذا للمادة الكمومية

لغير المتخصص، الرسالة الأساسية هي أن K2Co(SeO3)2 تعمل كمختبر لمادة تتصرف بطرق تبدو متناقضة: صلبة وفائقة السائلة في آن واحد. في هذا المغناطيس، تشكل مواقع السبينات نمطًا متكررًا مثل ذرات في بلورة، بينما يظل حركتها الكمومية ممتدة ومتآزرة، كما في سائل. ينتج عن هذا المزيج أطوار فائقة الصلابة التي ليست مجرد فضوليات نظرية بل أصبحت الآن مرسومة بالتفصيل ومبحوثة بأدوات طيفية قوية. ونظرًا لأن مقاييس الطاقة المعنية أكبر بكثير من المرشحين السابقين، تتيح هذه المادة قياسات دقيقة واختبارات نظرية واضحة، مما يجعلها نظامًا مرجعيًا لفهم كيف تستطيع التذبذبات الكمومية تشكيل حالات جديدة كليًا من المادة.

الاستشهاد: Chen, T., Ghasemi, A., Zhang, J. et al. Phase diagram and spectroscopic signatures of a supersolid in the quantum ising magnet K₂Co(SeO₃)₂. Nat Commun 17, 2914 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69661-0

الكلمات المفتاحية: فائقة الصلابة, المغناطيسية المحبطة, شبكة مثلثية, نظام سبين كمومي, تشتت نيوتروني