الآلية الإلكترونية للإزالة المغناطيسية خلال أقل من 100 فيمتوثانية المحفَّزة بنبضة ضوئية فيمتوثانية

لماذا تهم المغناطيسيات فائقة السرعة

تعتمد التقنيات الحديثة، من محركات الأقراص الصلبة إلى أجهزة الكم المستقبلية، على السرعة والموثوقية التي يمكن عندها تشغيل وإيقاف المغناطيسية. تبحث هذه الدراسة في كيفية إضعاف ومضة ضوئية قصيرة جداً، تدوم لجزء من كوادريليون من الثانية، للمغناطيسية في معادن مثل الكوبالت والنيكل. فهم هذا الحد الأقصى السريع لتغيرات المغناطيسية أساسي لتصميم مفاتيح مغناطيسية تدار بالضوء أسرع وتخزين بيانات من الجيل التالي.

نبضات ضوئية تقلب المغناطيسات الدقيقة

عندما تضرب نبضة ضوئية قوية معدنًا مغناطيسيًا، يمكنها إزعاج العزوم المغناطيسية الصغيرة لإلكتروناته وتقليل مغناطيسية المادة الإجمالية. أظهرت التجارب أن مثل هذه إزالة المغناطيسية تحدث على فترات زمنية قصيرة بشكل مذهل، أقل من 100 فيمتوثانية، سواء للضوء البصري أو للأشعة السينية. ومع ذلك، ظل غير واضح أي العمليات المجهرية هي المسؤولة فعليًا عند هذه السرعات. يركز الباحثون على مجال مغناطيسي واحد، وهو منطقة تتماشى فيها كل المغناطيسات الصغيرة مبدئيًا، ويتساءلون عما يحدث بداخلها فورًا بعد نبضة ضوئية قصيرة متفاوتة اللون والمدة.

مختبر رقمي لتغيرات المغناطيسية فائقة السرعة

للإجابة عن ذلك، استخدم الفريق أداة محاكاة مخصصة تُدعى XSPIN، التي تُحاكي كيف تستجيب إلكترونات في معدن مغناطيسي لنبضة ضوئية تحت ظروف بعيدـة عن التوازن. درسوا الكوبالت والنيكل وعرضوهما، افتراضيًا، لنبضات تدوم من 2 إلى 70 فيمتوثانية، مع طاقات فوتونية تمتد من النطاق المرئي إلى الأشعة السينية الناعمة. والأهم أنهم ثبتوا جرعة الطاقة الممتصة لكل ذرة عند مستوى منخفض بما يكفي لتجنب تلف البنية. أتاح لهم ذلك مقارنة كيفية اعتماد تغيرات المغناطيسية على لون الضوء وتوقيته، بدلاً من مقدار الطاقة المدخلة في المادة.

الإلكترونات تعيد ترتيبها أسرع مما يستطيع الشبك البلوري التجاوب

تتتبع المحاكيات عدة مكونات في آن واحد: عدد الإلكترونات المثارة، كيف تفقد طاقتها وتندمج في «بحر» الإلكترونات منخفض الطاقة، درجة الحرارة الإلكترونية العارضة، والمغناطيسية الناتجة. النتيجة الأساسية هي أنه، لكل ألوان النبض المختبرة من البصري إلى السيني، تفقد المواد جزءًا كبيرًا من مغناطيسيتها في أقل من 100 فيمتوثانية. يُدفع هذا التغيير السريع تقريبًا بالكامل بواسطة الإثارة الإلكترونية وإعادة توزيع الإلكترونات بين حالات سبين-أعلى وسبين-أسفل في النطاق الحساس للمغناطيسية. العمليات الأبطأ، مثل اهتزازات الشبك الذري أو التفاعلات بين المواقع المغناطيسية المختلفة، بطيئة جداً بحيث لا تؤثر ضمن هذا النطاق الزمني.

نفس الحالة النهائية، مسارات مختلفة

رؤية مهمة هي أنه، لجرعة ممتصة ثابتة، تكون الحالة المغناطيسية النهائية لمجال واحد شبه مستقلة عن طاقة الفوتون. سواء كانت النبضة بصرية أو أشعة سينية، ينتهي النظام بدرجات حرارة إلكترونية ومغناطيسية مخفَّضة متشابهة. تظهر الاختلافات بشكل أساسي في التوقيت: بالنسبة للنبضات القصيرة جداً، قد تستغرق سلسلة اصطدامات الإلكترونات التي يطلقها فوتون أشعة سينية عالي الطاقة عدة فيمتوثوانٍ لتتطور، مما يؤخر قليلًا بدء إزالة المغناطيسية مقارنةً بالنبضات البصرية. في الكوبالت والنيكل على حد سواء، يظهر النموذج أنه عندما تكون النبضة أطول بكثير من زمن التتابع هذا، فإن الملف الزمني للنبضة نفسه يحدد إلى حد كبير سرعة تراجع المغناطيسية.

ما الذي يعنيه هذا لأجهزة مغناطيسية مستقبلية

بعبارة بسيطة، يستنتج المؤلفون أن فقدان المغناطيسية المبكر، في نطاق أقل من 100 فيمتوثانية، يُحكم بكيفية إعادة نبضة الضوء ترتيب الإلكترونات، وليس بحركة الشبك الأبطأ أو البنى التعقيدية للسبين. مقدار المغناطيسية المفقودة يعتمد أساسًا على كمية الطاقة الممتصة لكل ذرة، بينما يؤثر لون الضوء بالدرجة الأكبر على توقيت التفاصيل. يوفر هذا الفهم خارطة طريق للتحكم في الاستجابات المغناطيسية فائقة السرعة بنبضات ضوئية مصممة بعناية، وهو خطوة نحو مفاتيح مغناطيسية تعمل بالإشعاع وموثوقة تعمل عند حدود السرعة القصوى المحددة بحركة الإلكترونات.

الاستشهاد: Kapcia, K.J., Tkachenko, V., Capotondi, F. et al. Electronic mechanism of sub-100-fs demagnetization induced by a femtosecond light pulse. Sci Rep 16, 14705 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-51949-2

الكلمات المفتاحية: إزالة مغناطيسية فائقـة السرعة, نبضات ضوئية فيمتوثانية, مواد مغناطيسية, الكوبالت والنيكل, ديناميكيات الإلكترون