توليد الحزم المغناطيسية (الهوبفيونات) بواسطة الليزر

دوامات معقودة في مغناطيسات صغيرة

تخيّل أنك تربط عقدة في حقل غير مرئي داخل قطعة صلبة من المعدن ثم تجعل تلك العقدة تظهر بومضة ضوء. تُظهر هذه الدراسة كيف يمكن للفيزيائيين إنشاء وملاحظة مثل هذه العقد في أنماط المجال المغناطيسي لبلورة باستخدام نبضات ليزر فائقة السرعة. تتصرف هذه الحلقات الثلاثية الأبعاد، المسماة هوبفيونات، مثل جزيئات صغيرة وقد تخزن أو تعالج المعلومات في المستقبل بطرق لا تستطيع الإلكترونيات التقليدية تحقيقها.

لماذا تُهم الحلقات الملتوية

في مواد مغناطيسية معينة، لا يشير اتجاه الاستقطاب المغناطيسي ببساطة إلى أعلى أو أسفل بل يمكن أن يلتف بسلاسة عبر الفضاء مكونًا دوامات وحلزونات. جذبت الدوامات ثنائية الأبعاد المعروفة بالسكيرميونات اهتمامًا كمرشحين لتخزين البيانات المستقبلي لأنها صغيرة، قابلة للحركة، ومتينة. الهوبفيونات هي أقاربها ثلاثية الأبعاد بالكامل: حلقات مغلقة من الاستقطاب الملتف المرتبط بنفسه، تشبه إلى حد ما حلقات الدخان المنسوجة ضمن نمط حلزوني محيط. اقترحت النظريات منذ زمن طويل أن الهوبفيونات المعزولة يمكن أن توجد بمفردها، لكن التجارب رصدت سابقًا نسخًا أكثر تعقيدًا مرتبطة بخيوط سكيرميون، وبقي إنتاج هوبفيونات حرة ومستقلة تحت ظروف متحكم بها تحديًا مفتوحًا.

كتابة العقد بالضوء

واجه الباحثون هذا التحدّي في صفائح رقيقة من مادة مغناطيسية كلامرة تُدعى FeGe، بلورة تُفضل فيها القوى المتنافسة حالات مغناطيسية ملتوية بطبيعتها. وضعوا الصفائح في مجهر إلكتروني شفاف مزوّد بليزر فائق السرعة. سخّنت نبضات ليزر مفردة بطول فيمتوثانية، كل منها أقل من تريليون جزء من الثانية، النظام المغناطيسي لفترة وجيزة وقلّبت الترتيب المغناطيسي دون أي تماس مادي. من خلال ضبط طاقة الليزر وشدة مجال مغناطيسي لطيف مطبق عموديًا على الصفيحة، خرّط الفريق أي التوليفات تُنتج أنماطًا مغناطيسية مختلفة. فوق فلونسِة ليزر معينة، وفي مجالات خارجية منخفضة نسبيًا، ولّدت النبضات بصورة موثوقة خليطًا غنيًا من الأنماط، بما في ذلك سكيرميونات، مضادات سكيرميون، حلقات هوبفيون مرتبطة بخيوط، والأهم من ذلك، هوبفيونات معزولة جالسة ضمن خلفية حلزونية.

رؤية الأشكال الخفية وتصنيفها

لأن الهوبفيونات مدفونة داخل المادة، فالتعرّف عليها يتطلب تصويرًا غير مباشر. استخدم الفريق مجهر لورنتس الإلكتروني الشفاف والهولوغرافيا الإلكترونية خارج المحور لقياس كيف تنحني موجات الإلكترون أثناء مرورها عبر المجال المغناطيسي داخل البلورة. تنتج هذه القياسات نقاطًا ساطعة ومظلمة مميزة تتغير مع ميل العينة. بمقارنة سلاسل الإمالة الكاملة والبروفيلات الخطية المفصلة مع محاكاة ميكرو-مغناطيسية، أظهر المؤلفون أن التباين المرصود يتطابق مع البنية الثلاثية الأبعاد المعقدة المتوقعة لهوبفيون ولا يمكن تفسيره بالسكيرميونات أو مضاداتها أو مرشحين آخرين. بالتوازي، طوروا وصفًا رياضيًا أكثر مرونة للهوبفيونات يعمل ضمن شروط حدية واقعية، مثبتين أن هذه الأجسام ما تزال تحمل شحنة طوبولوجية معرفة جيدًا حتى عندما لا تكون المغنطة المحيطة موحدة تمامًا.

كيف يساعد الليزر على تشكل العقد

لفهم كيف يمكن لمثل هذه الحلقات المعقدة أن تظهر بهذه السرعة، حسب الفريق مناظير طاقة تربط بين حالات مغناطيسية مختلفة. تشير محاكاةهم إلى أن الهوبفيون يتكوّن على الأرجح عندما يندمج سكيرميون ومضاد سكيرميون، وهما دوامتان ذاتا اتجاه دوران متعاكس، لتشكّلا حلقة ثلاثية الأبعاد واحدة. حاجز الطاقة لهذا الاندماج أقل من الحاجز الذي يسمح للهوبفيون بالاختفاء مجددًا، وهو ما يفسّر سبب استمرار الهوبفيونات، حالما تُنشأ، عبر نطاق واسع من الحقول المغناطيسية ولمدد زمنية طويلة. تظهر الحسابات أيضًا أن طبقات سطحية تالفة ناتجة عن تحضير العينة يمكن أن تساعد فعليًا في حجز الهوبفيونات، موسعة نطاق السماكة الذي تكون فيه مستقرة.

العقد كمكوّنات لبناء أجهزة مستقبلية

يبين المؤلفون أن الهوبفيونات يمكن أن توجد بمفردها، أو في أزواج، أو بالاشتراك مع أنماط مغناطيسية أخرى، وأنها تبقى حتى بدون أي حقل مغناطيسي مطبق. يفتح هذا الأسلوب غير التلامسي والمعتمد على الضوء لإنشاء عقد مغناطيسية ثلاثية الأبعاد في بلورات ممتدة مسارًا جديدًا لتصميم أجهزة تستخدم الطوبولوجيا بدلًا من الشحنة لترميز المعلومات. بينما تبقى التطبيقات العملية بعيدة، يثبت هذا العمل أن الهوبفيونات أجسام حقيقية وقابلة للتحكم ويوفر صندوق أدوات لاستكشاف كيف يمكن كتابة هذه الهياكل المعقودة، وتحريكها، ومسحها داخل المواد الصلبة.

الاستشهاد: Chen, X., Yang, D., Li, Z. et al. Laser-induced nucleation of magnetic hopfions. Nat. Phys. 22, 736–744 (2026). https://doi.org/10.1038/s41567-026-03236-0

الكلمات المفتاحية: الهوبفيونات المغناطيسية, المغناطيسية الطوبولوجية, نبضات ليزر فائقة السرعة, سكيرميونات, سبينترونيكس