סדר מגנטי לטווח ארוך עם אוריינטציות ספין מבולבלות במגנט אנטי-פרמגנטי בעל אנטרופיה גבוהה

כשחוסר סדר מתנהג כמו סדר

חומרים מגנטיים הם עמוד השדרה של טכנולוגיות ממערכות אחסון נתונים ועד מכשירי קוונטום עתידיים, וחוכמת הממסד גורסת כי עודף חוסר-סדר אטומי הורס את הדפוסים המגנטיים המסודרים לטווח ארוך. מחקר זה מפריך ציפייה זו בכך שהוא מראה כי גביש "בעל אנטרופיה גבוהה" עם חוסר-סדר קיצוני עדיין יכול ליצור דגם מגנטי חזק ובהיקף גדול — ובכל זאת כל סוג אטום שומר על כיוון מועדף משלו, כמו קהל מתואם שבו כל רקדן פונה אחרת במעט.

לערבב מתכות רבות לתוך גביש אחד

החומר במרכז עבודה זו נקרא HEPS3, קיצור של (Mn_1/4Fe_1/4Co_1/4Ni_1/4)PS₃. הוא שייך למשפחה של גבישים שכבתיים שבהם אטומי המתכת יושבים על רשת דמוית דבש שטוחה, הקושרת ביניהן בכוחות van der Waals חלשים בין השכבות. בקרובי משפחה מוכרים של המשפחה הזאת, כל גביש מכיל סוג אחד של מתכת מגנטית, והספינים (מגנטים זעירים שמובל על ידי האלקטרונים) מסתדרים לתבניות סדירות. לעומת זאת, HEPS3 מערבב ארבע מתכות מגנטיות שונות — מנגן, ברזל, קובלט וניקל — בכמויות שוות, מפוזרות אקראית על רשת הדבש. האקראיות הקיצונית הזו, או "אנטרופיה גבוהה", בדרך כלל הייתה צפויה לפרק כל סדר מגנטי לטווח ארוך ולייצר מצב זכוכיתי מבולגן.

סדר לטווח ארוך בתוך ים של אקראיות

כדי לבדוק מה הספינים עושים בפועל, החוקרים השתמשו בשני גלאים עוצמתיים ומשלימים. דיפרקציית ניוטרונים, החשה לסידורים מגנטיים קולקטיביים בכל הגביש, חשפה כי מתחת לכ־72 קלווין (בערך −200 °C) HEPS3 מפתח דגם אנטי-פרמגנטי זיגזג תלת־ממדי: הספינים מסתדרים בשרשראות שבהן השרשראות השכנות פונות בכיוונים מתחלפים. באופן מפתיע, מצב מסודר זה מסתדר יחד עם שכבות מגנטיות דו־ממדיות שנקשרות באופן חלש יותר ונשמרות לטמפרטורות מעט גבוהות יותר. השיאים המגנטיים המדודים היו חדים במישור רשת הדבש, מה שמראה כי דפוס הזיגזג מתפרש למרחקים גדולים, אף על פי שהאטומים הבסיסיים מסודרים באקראיות.

להקשיב לכל יסוד בנפרד

פיזור ניוטרונים ממוצע על כל האטומים, ולכן אינו מבחין איזה מתכת עושה מה. כדי להשיג תובנות לפי יסוד, הצוות פנה לפיזור רנטגן רך רזוננטי, שניתן לכוון לאנרגיות הספציפיות של מנגן, ברזל, קובלט או ניקל. על־ידי בחירת כל יסוד בתורו, הם הראו שכל ארבעת היסודות משתתפים באותו מעבר מגנטי באותה הטמפרטורה. עם זאת, תמונה עדינה יותר התגלתה כאשר בדקו כיצד קרני הרנטגן המפוזרות תלויות בקוטביות וסיבוב המדגם. החתימות הללו גילו שספיני ארבעת המתכות אינם פונים כולם לאותו כיוון בתוך הגביש. במקום זאת, כל יסוד מאמץ זווית נטייה מועדפת משלו במישור המוגדר על־ידי צירי הגביש, המשקפת את האופי המגנטי המושרש שלו.

פשרה בין העדפה מקומית לעבודה קבוצתית

החוקרים מסבירים מצב יוצא דופן זה כפשרה בין שתי נטיות מתחרות. מצד אחד, לכל יון יש "אניזוטרופיה חד־יונית" — העדפה מובנית לכיוון הספין שנקבעת על־ידי המבנה האלקטרוני והסביבה המקומית שלו. מצד שני, אינטראקציות חליפין מעדיפות שספינים שכנים יתאימו דפוס מתואם כדי להקטין את האנרגיה הכוללת. אם החליפין היה חלש מאוד, כל יסוד היה פשוט עוקב אחרי האניזוטרופיה שלו, מה שהוביל לסדר מקומי אך ללא דפוס קוהרנטי. אם החליפין היה שולט לחלוטין, כל הספינים היו נכפים לכיוון משותף יחיד. HEPS3 נופל באמצע: הספינים מתייצבים לדגם זיגזג משותף ברשת, אך כל סוג מתכת שומר על אוריינטציה מעט שונה בתוך דפוס זה. התוצאה היא סדר מגנטי לטווח ארוך ללא מוטיב מקומי חוזר פשוט וללא תא יחידה מגנטי קונבנציונלי.

מדוע המגנט האקזוטי הזה חשוב

עבודה זו מציגה סוג חדש של מצב מגנטי: סדר אנטי־פרמגנטי חזק ובהיקף גדול שנבנה ממספר רב של יסודות מגנטיים מובדלים ומפוזרים באקראי, שספיניהם אינם מסכימים לחלוטין על כיוון אחד. היא מראה שאנטרופיה תצורתית גבוהה, שלרוב נחשבת כמקדמת זכוכיות מגנטית, יכולה במקום זאת לסייע לייצוב סדר יוצא דופן אך מוגדר היטב. מעבר לאתגר לתפיסה המקובלת של השפעת החוסר־סדר על המגנטיות, ממצאים אלה מרמזים כי מגנטים בעלי אנטרופיה גבוהה ניתנים לעיצוב מכוון כדי לכוונן חוזק מגנטי, כיווניות וממדיות. זה עשוי לפתוח דרכי עיצוב לחומרים מגנטיים וספינטורניים עתידיים שבהם המורכבות אינה תקלה שצריך להסיר, אלא משאב עוצמתי לשימוש.

ציטוט: Shen, Y., Zhang, G., Zhang, Q. et al. Long-range magnetic order with disordered spin orientations in a high-entropy antiferromagnet. Nat Commun 17, 3558 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70184-x

מילות מפתח: מגנט בעל אנטרופיה גבוהה, אנטי-פרמגנטיות, אוריינטציה של ספין, חומרי ונדר ואלס, פיזור ניוטרונים וקרני רנטגן