جدران عازلة ذات حركة قصوى مدفوعة بعزم نقل اللف في أكسيد سبينل فيريماجنتي

جدران تسابق داخل شرائح الذاكرة المستقبلية

تعتمد الأجهزة الحديثة على ذاكرة يمكنها التبديل بسرعة مع فقد طاقة ضئيل قدر الإمكان. تستكشف هذه الدراسة مادة مغناطيسية خاصة حيث يمكن دفع الحدود غير المرئية داخل المغناطيس، المسماة جدران المجال، بسرعات قياسية بواسطة نبضات كهربائية قصيرة. قد يؤدي فهم والتحكم في هذه الجدران المتحركة الصغيرة إلى شرائح ذاكرة ومنطق أسرع وتبرد بشكل أفضل تخزن وتعالج المعلومات بطرق جديدة.

نوع جديد من حلبة مغناطيسية

حلم المهندسون منذ زمن بعيد بـ«ذاكرة الحلبة»، حيث تُخزن بتات المعلومات كمناطق مغناطيسية على شريط ضيق وتُزحزح ذهابًا وإيابًا بدلًا من نقلها ماديًا. التحدي هو أن تُزلق هذه المناطق بسرعة باستخدام تيارات كهربائية متواضعة. في هذا العمل، ركز المؤلفون على أكسيد فيريماجنتي يسمى NiCo2O4، مزروع كطبقة رقيقة جدًا على ركيزة بلورية. تجمع هذه المادة بين مغنطة كلية منخفضة وتوصيلية كهربائية عالية واستقطاب قوي لإلكترونات التيار—عناصر تتوقع النظرية أنها تسمح لجدران المجال بالحركة بسرعة مع فقد طاقة قليل.

رصد الحدود المغناطيسية الخفية

قبل دفع الجدران، احتاج الفريق أولًا إلى فهم شكلها والتواءها الداخلي. استخدموا حساسًا ماسحًا مبنيًا على عيب واحد في الماس لرسم الحقول المغناطيسية الدقيقة فوق الطبقة بدقة نانوية. من خلال ملاءمة خرائط الحقل هذه، وجدوا أن الجدران من نوع بلوخ، مما يعني أن المتجه المغناطيسي يدور جانبيًا عند عبور الجدار. أظهرت القياسات أيضًا أن تفاعلًا آخر غالبًا ما يلوي الجدران إلى شكل مختلف يكاد يكون غائبًا هنا. يساعد هذا البنية الجدارية المنتظمة على جعل الحركة أكثر قابلية للتنبؤ عند تطبيق التيار.

دفع الجدران بتدفقات كهربائية لطيفة

لدفع الجدران، مرَّر الباحثون نبضات تيار قصيرة عبر أشرطة مُشكلة من المادة وراقبوا الحركة الناتجة بواسطة ميكروسكوب يكتشف تغييرات طفيفة في الضوء المنعكس. لاحظوا جدرانًا تتحرك في اتجاه التيار بسرعات تزيد على كيلومتر واحد في الثانية عند كثافة تيار أقل من تلك في العديد من المواد المنافسة. والأكثر لفتًا للانتباه، أن الجدران بدأت تتحرك بسرعات قابلة للقياس بوضوح عند تيارات أضعف بدرجة أو درجتين من القيم النموذجية المطلوبة. من خلال مقارنة الحركة بعناية لاتجاهي التيار والحقول المغناطيسية، أظهر الفريق أن الجدران تُحرك أساسًا بواسطة عزم نقل اللف، وهي عملية تدفع فيها لفّات إلكترونات التيار المتجه المغناطيسي المحلي.

القصور الذاتي والحركة الفعالة على مقياس النانومتر

عندما تنتهي نبضة التيار، لا تتوقف الجدران في هذه المادة فورًا. بدلًا من ذلك، تستمر في الانزلاق لحوالي جزء من مليار من الثانية، إشارة إلى أنها تمتلك قصورًا ذاتيًا يشبه جسمًا صغيرًا له كتلة. من خلال تغيير طول النبضة، تمكن الباحثون من رؤية أن النبضات الأقصر أنتجت سرعات متوسطية أعلى فعليًا، لأن جزءًا كبيرًا من الحركة حدث بعد إطفاء النبضة. سمح هذا السلوك بتقدير مدى تسارع الجدران وتباطؤها، كاشفًا عن زمن نموذجي يقارب نانوثانية واحدة، أقصر من القيم المرصودة في العديد من الفيرومغناطيسات. ومن هذه القياسات استخلصوا أيضًا معلمات تظهر أن الجزء غير الأديباتي من العزم، والذي يكون قويًا بشكل خاص في الأنظمة الفيريمغناطيسية، كبير بشكل غير عادي في هذا الأكسيد.

ماذا يعني هذا للأجهزة المستقبلية

بوضع هذه النتائج معًا، يبرز NiCo2O4 كمادة تتحرك فيها جدران المجال بسرعة كبيرة تحت تيارات منخفضة نسبيًا، وحيث أصبح قصورها الذاتي وبنيتها الداخلية مفهومان كميًا. عند مقارنتها مع معادن وأكاسيد أخرى تُستخدم لأجهزة مماثلة، يقدم هذا الأكسيد سبينل توازنًا جذابًا بين السرعة وتكلفة الطاقة لنقل البتات على حلبة مغناطيسية. وبما أنه يدعم أيضًا التحكم البصري بنبضات ليزر فائقة السرعة، فقد تكون هذه الفئة من مواد سبينل الفيريماغنتي أساسًا لتقنيات الذاكرة والحوسبة المستقبلية التي تمزج التحكم الكهربائي والبصري في المغناطيسية.

الاستشهاد: Wu, M., Ding, S., van Schie, L. et al. High-mobility inertial domain walls driven by spin-transfer torque in a ferrimagnetic spinel oxide. Nat Commun 17, 4672 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71290-6

الكلمات المفتاحية: سبينترونيكس, حركة جدران المجال, أكسيد فيريماجنتي, عزم نقل اللف, ذاكرة الحلبة (racetrack)