בימרונים המושרים באור במגנט כירי

כתיבת מערבולות מגנטיות זעירות בעזרת אור

מחשבים מודרניים מעבירים מידע באמצעות מטענים חשמליים, מה שגורם לבזבוז אנרגיה בחום. פיזיקאים חוקרים דרכים חדשות לאחסן ולהעביר נתונים באמצעות דפוסי מגנטיות יציבים וסובבים שמתנהגים כחלקיקים. במחקר זה מראים כי פולסים לייזר אולטרה־מהירים יכולים "לכתוב" באופן מהימן סוג מיוחד של מערבולת מגנטית, הנקראת בימרון, בצלוחית גביש דקה בטמפרטורת החדר, ושהמערבולות הללו ניתנות לכיול באמצעות שדה מגנטי מתון. העבודה מצביעה על כיוון למכשירי זיכרון ולוגיקה עתידיים בעלי צריכת אנרגיה נמוכה, הנשלטים באור במקום בכבלים.

קשרים מגנטיים קטנים כנשאי מידע

בכמה מגנטים, המגנטים האטומיים הקטנים אינם מסתדרים כולם באותו כיוון; במקום זאת הם מתעוותים לסבובים מיניאטוריים הנקראים מרקמים ספיניים טופולוגיים. מכיוון שהעיוותים לא ניתנים לביטול ללא שינויים מהותיים, מבנים אלה יציבים במיוחד ויכולים לשמש ביטים של מידע עמידים. הדוגמאות המוכרות ביותר הן סקירמונים, סבובים עגולים במגנט שהכיוון המועדף שלהם הוא מחוץ למישור. במגנטים שבהם הספינים מעדיפים לשכב במישור יכולים להיווצר אובייקטים קרובים בשם מרונים ובימרונים. בימרון הוא למעשה זוג קשור של חצי־סבובים שהופכים יחד להתנהגות של חלקיק. הם מושכים לב יישומים אלקטרוניים וספרטרוניים עתידיים כי, בתיאוריה, ניתן להזיזם עם זרמי חשמל קטנים, לארוזם בצפיפות ולהשתמש בהם בקנה מידה ננוטכנולוגי מבלי לפרקם בקלות.

שימוש בפולסי לייזר ליצירת מערבולות מגנטיות

החוקרים עבדו עם לוחיות דקות של מגנט כירי העשוי מקובלט, אבץ ומנגן (Co₈Zn₈Mn₄). בחומר זה, אינטראקציה פנימית היוצרת עיקום מסבירה מדיניות של דפוסי ספירלה מגנטיים, והמגנט נשאר מסודר מעל טמפרטורת החדר. הצוות עיצב סבכי דקיקות בעובי של 90–200 ננומטר בלבד וצפה במגנטיות שלהם ישירות בתוך מיקרוסקופ אלקטרונים שכלי (transmission electron microscope) שמאפשר הדמיית מבנים מגנטיים. הם ירו פולס אחד של לייזר פמטו־שני (אחת־מיליון־מיליארדית השנייה) אל המדגם. כל פולס חימם את המגנט במהירות קיצונית, הפריע זמנית לדפוס המסודר ונדחף את המערכת למצב מבולגן ובעל אנרגיה גבוהה. כאשר המדגם התקרר בתוך מיליארדיות עד מיליוניות השנייה, המגנטיזציה ארגנה את עצמה מחדש ובימרונים יציבים הופיעו כשהמערכת נרגעה.

כיול בימרונים בעזרת שדה מגנטי עדין

על־ידי החלת שדה מגנטי קטן מאונך ללוחית הדקה, הצוות הצליח לכוון איזה סוג וכמה בימרונים ייווצרו. בשדה אפס הפולסים ייצרו תערובת של שני בימרונים שהם תמונת ראי אחד של השני. גם שדות צנועים של כמה עשירי מיליטסלה הטו את מאזן האנרגיות כך שסוג אחד הפך עדיף ודומיננטי בדפוס. עם הגדלת השדה, מספר הבימרונים גדל תחילה עד מקסימום ואז ירד, והם נעלמו מעבר לשדה סף. ניסויים מוקפדים על צלוחיות בעוביים שונים הראו שלמרות השינויים באופן בו הדפוסים נראו במיקרוסקופ, העיוותים המגנטיים התלת־ממדיים הבסיסיים היו טופולוגית זהים. במילים אחרות, ה"סוג הקשר" המהותי של הבימרון לא התלונן בעובי הצלוחית.

התבוננות פנימית במבנה המגנטי

לצד ההדמיה, הצוות הריץ סימולציות מחשב מפורטות של התנהגות המגנט תוך שימוש במודל מיקרומגנטי שכלל את אינטראקציית העיקום, נוקשות מגנטית רגילה והשפעת צורת המדגם. הם גם התחשבו בשכבת פני שטח דקה שנפגעה בתהליך הייצור, שבה אינטראקציית העיקום מופחתת. החל מסידור אקראי של ספינים, הסימולציות נרגעו לעבר מצבי אנרגיה נמוכה ויצרו דפוסי בימרונים שתאמו במידה רבה את התמונות הניסויות, הן בצפיפות והן בניגוד. החישובים חשפו כיצד כל בימרון בנוי משני מרונים מקושרים בצורות שונות, וכיצד ככל שהשדה גובר, הרקע המגנטי שסביבם מתיישר בהדרגה מדפוס מוטה וטרום‑קוני לעבר מצב אחיד לחלוטין.

מבימרונים לסקירמונים ולמכשירים עתידיים

בלחיצה על השדה המגנטי גבוה יותר בסימולציות, החוקרים צפו בהמרה חלקה מבימרונים לסקירמונים סימטריים יותר ברגע שהמגנטיזציה הסובבת התיישרה לחלוטין. בניסוי הממשי בטמפרטורת החדר, התנודות התרמיות גרמו לקריסת הבימרונים לפני שניתן היה לראות את המעבר הסופי הזה, אבל ההתאמה בין התיאוריה למדידה תומכת בתמונה מאוחדת המתייחסת לבימרונים וסקירמונים כאובייקטים טופולוגיים קרובים. בסך הכל, העבודה מדגימה כי פולס אור אולטרה־מהיר יחיד יכול לכתוב באופן מהימן דפוסים מבוקרים של בימרונים בסרט ממוגנט במישור. שליטה אופטית זו בקשרים מגנטיים עמידים מייצגת צעד מרכזי לעבר טכנולוגיות זיכרון ומיחשוב עתידיות המשתמשות באור ובמגנטיות לעיבוד מידע באנרגיה נמוכה בהרבה מאשר האלקטרוניקה של היום.

ציטוט: 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

מילות מפתח: בימרונים, לייזר אולטרה־מהיר, מגנטיות טופולוגית, ספרטרוניקה, סקירמונים