بيريمونات مُثارة بالضوء في مغناطيس كيرالي

كتابة الدوامات المغناطيسية الصغيرة بالضوء

تعتمد أجهزة الحاسوب الحديثة على تحريك المعلومات عبر شحنات كهربائية، ما يهدِر الطاقة على شكل حرارة. يستكشف الفيزيائيون طرقًا جديدة لتخزين ونقل البيانات باستخدام أنماط مغناطيسية دوّامية ومستقرة تتصرف كجسيمات. تُظهر هذه الدراسة أن وميضات ليزرية فائقة السرعة يمكنها "كتابة" نوع خاص من الدوامات المغناطيسية، يُسمى بيريمون، داخل بلورة رقيقة في درجة حرارة الغرفة بشكل موثوق، وأنه يمكن ضبط هذه الدوامات بحقل مغناطيسي معتدل. يشير العمل إلى إمكانات لأجهزة ذاكرة ومنطق مستقبلية منخفضة الطاقة تُتحكَم بالضوء بدلاً من الأسلاك.

عُقَد مغناطيسية صغيرة كحاملات معلومات

في بعض المواد المغناطيسية، لا تصطف مغناطيسات الذرات الصغيرة كلها في نفس الاتجاه؛ بل تنلف لتكوّن دوامات مصغرة تُدعى قوامات سبينية طوبولوجية. وبما أن هذه الالتفافات لا يمكن إبطالها دون إعادة ترتيب كبيرة، فهذه البنى مستقرّة بطبيعتها ويمكن أن تعمل كخانات معلومات قوية. أشهر أمثلتها هي السكيرميونات، وهي دوامات دائرية في مغناطيسات يفضل فيها التوجيه خارج المستوى. في المغناطيسات التي تُفضّل أن تستلقي العزوم داخل المستوى، يمكن أن تتكوّن أجسام ذات صلة تُسمى ميرونات وبيريمونات. البيريمون هو، فعليًا، زوج مرتبط من نصف الدوامات التي تتصرف معًا كجُسيم. هي جذابة للإلكترونيات والسبينترونيكس المستقبلية لأنها، من الناحية النظرية، يمكن تحريكها بواسطة تيارات كهربائية صغيرة، وتكديسها بكثافة، واستخدامها على المقياس النانوي دون التفكك بسهولة.

استخدام ومضات ليزرية لابتكار الدوامات المغناطيسية

عمل الباحثون على صفائح رقيقة من مغناطيس كيرالي مصنوع من كوبلت وزنك ومنغنيز (Co₈Zn₈Mn₄). في هذه المادة، تفضّل تفاعلات داخلية لولبية أنماطًا مغناطيسية لولبية، ويظل المغناطيس منظّمًا فوق درجة حرارة الغرفة. شكّل الفريق شرائح رقيقة بسماكات تتراوح بين 90 و200 نانومتر وراقبوا مغناطيسيتها مباشرة داخل مجهر إلكترونات ناسِلة يمكنه تصوير البُنى المغناطيسية. ثم أطلقوا نبضات ليزرية أحادية من نظم فيمتوثانية (واحد على تريليون من مليون من الثانية) على العيّنة. كل نبضة سخّنت المغناطيس بسرعة فائقة، مُعطّلة مؤقتًا نمطه المرتّب ودافعة إياه إلى حالة فوضوية وعالية الطاقة. أثناء تبريد العيّنة ضمن مليارات إلى ملايين من الثانية، أعيد تنظيم المغناطيسية، وظهرت بيريمونات مستقرة مع استرخاء النظام.

ضبط البيريمونات بحقل مغناطيسي لطيف

بتطبيق حقل مغناطيسي صغير عموديًا على الصفيحة الرقيقة، استطاع الفريق توجيه نوع وعدد البيريمونات المتشكلة. عند الحقل الصفري، أنتجت نبضات الليزر خليطًا من نوعين من البيريمونات المتناظرة بالمرآة. حتى حقول متواضعة لا تتجاوز بضعة عشرات من الميليتِسلايل قدّمت توازن الطاقة لصالح نوع واحد فأصبح مهيمنًا على النمط. مع زيادة الحقل، زاد عدد البيريمونات حتى بلغ حدًا أقصى ثم انخفض، واختفت بعد مستوى حرج من الحقل. أظهرت تجارب دقيقة على صفائح بسماكات مختلفة أنه، بالرغم من تغيّر مظهر الأنماط في المجهر، كانت الالتفافات المغناطيسية ثلاثية الأبعاد الأساسية طوبولوجيًا متساوية. بعبارة أخرى، لم يعتمد "نوع العقدة" الأساسي للبيريمون على سماكة الصفيحة.

التكبير على البنية المغناطيسية الداخلية

إلى جانب التصوير، أجرى الفريق محاكيات حاسوبية مفصّلة لسلوك المغناطيس باستخدام نموذج ميكرو‑مغناطيسي شمل التفاعل اللولبي، والصلابة المغناطيسية العادية، وتأثير شكل العيّنة. أخذوا كذلك بعين الاعتبار طبقة سطح رقيقة تالفة نشأت أثناء التصنيع حيث يقل التفاعل اللولبي. بدءًا من ترتيب عشوائي للعزوم، ارتخَت المحاكيات نحو حالات ذات طاقة منخفضة وأنتجت أنماط بيريمون تطابقت عن كثب مع صور التجربة، سواء من حيث الكثافة أو التباين. كشفت الحسابات كيف يُبنى كل بيريمون من مرونين مرتبطين بأشكال مختلفة، وكيف أن الخلفية المغناطيسية المحيطة، مع ازدياد الحقل، تستقيم تدريجيًا من نمط مائل شبيه بالمخروط إلى حالة متجانسة تمامًا.

من البيريمونات إلى السكيرميونات والأجهزة المستقبلية

بزيادة الحقل المغناطيسي أكثر في المحاكيات، لاحظ الباحثون تحوّلًا سلسًا من بيريمونات إلى سكيرميونات أكثر تماثلًا بمجرد أن أصبحت المغناطيسية المحيطة مصفوفة تمامًا. في التجربة الحقيقية عند درجة حرارة الغرفة، تسببت التقلبات الحرارية في انهيار البيريمونات قبل أن يُرى هذا الانتقال النهائي، لكن التوافق بين النظرية والقياس يدعم صورة موحّدة تتعامل مع البيريمونات والسكيرميونات كأجسام طوبولوجية مترابطة. عمومًا، يُظهر العمل أن نبضة ضوئية فائقة السرعة واحدة تستطيع كتابة أنماط بيريمون قابلة للتحكم في فيلم ممغنط داخل المستوى. يُمثّل هذا التحكم البصري بعُقد مغناطيسية متينة خطوة رئيسية نحو تكنولوجيا الذاكرة والحوسبة المستقبلية التي تستخدم الضوء والمغناطيسية لمعالجة المعلومات بطاقة أقل بكثير من إلكترونيات اليوم.

الاستشهاد: Zhu, K., Rybakov, F.N., Wang, Z. et al. Light-induced bimerons in a chiral magnet. Nat Commun 17, 3185 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71291-5

الكلمات المفتاحية: بيريمونات, ليزر فائق السرعة, مغناطيسية طوبولوجية, سبينترونيكس, سكيرميونات