سكيرميونات مغناطيسية

في قاعةٍ تتراقص فيها الأزواج، عُزفت موسيقى مختلفة، فإذا بالأزواج التي كانت مصطفّة في صفوف تبدأ بالدوران كالدوامات. هكذا تعيد البلورة المغناطيسية Fe3Ge ترتيب نمطها الداخلي عندما ترتفع الحرارة فوق 375 كلفن، أي نحو مئة درجة من الدفء. قبل هذا الحدّ ترقد الإبر المغناطيسية في البلورة مسطّحة، كأزواج ترقص رقصة دائرية.

في غشاء رقيق من الكوبالت والحديد، مُرسَب على ركيزة من السيليكون، تتشكل دوامة مغناطيسية صغيرة جدًا — بنية شبيهة بالسكيرميون تُسمى القطرة المغناطيسية. لا تتبدد هذه الدوامة، بل تبقى محتجزة في مكانها، مثل قطرة زيت على مقلاة ساخنة، حيث يلعب التيار الكهربائي دور الحرارة، والذي يمر عبر برزخ ضيق عرضه حوالي مئة ذرة.

الهيكل المغناطيسي لبلورة EuMnSb2 يشبه السقالات: ذرات المنغنيز تشكل أعمدة رأسية صلبة، بينما ذرات اليوروبيوم تشكل عوارض متحركة. حتى الآن لم يكن هناك إجماع حول الزاوية التي تميل بها هذه العوارض في حالة السكون، وكيف تدور عندما يضغط المجال المغناطيسي على السقالات. الطرق التقليدية لم تعطِ إجابة دقيقة: ذرات اليوروبيوم تمتص النيوترونات بشدة، والإشارة تغرق في الضوضاء.

السكيرميون هو دوامة مغناطيسية تشبه دوامة مائية مصغرة في البحر، حيث تلتف مغناطيسية المادة بدلًا من الماء. تُعتبر هذه البنى خلايا ذاكرة واعدة في حواسيب المستقبل، ولكن لتسجيل المعلومات وقراءتها يجب أن نتمكن من تحريك كل دوامة على حدة. حتى الآن، تعمل الطرق الحالية بشكل خشن، حيث تزيح العديد من السكيرميونات دفعة واحدة.

قطعة معدنية أصغر من ملليمتر، عند تبريدها إلى 256 درجة مئوية تحت الصفر، تتصرف مثل المشكال: في أحد أركانها تصطف الإبر المغناطيسية في صفوف منتظمة، بينما في الركن المجاور تلتف بشكل حلزوني. أمكن رؤية ذلك بتوجيه شعاع أشعة سينية رفيع نحو العينة وتحريكه ببطء عبر سطحها، مثل مصباح يدوي يسلط على جدار مظلم. عادةً، تُدرس هذه المواد بإضاءة البلورة بأكملها دفعة واحدة.

تخيل طريقًا سريعًا حيث يفصل التدفقان المتعاكسان ليس فقط على جانبين مختلفين، بل على طريقين مستقلين تمامًا — لكل منهما مدخله ومخرجه. شيء مشابه يحدث للإلكترونات في نوع جديد من العوازل التوبولوجية وصفه مؤلفو الدراسة. أخذوا مادة ألترامغناطيسية ثنائية الأبعاد — مادة تكون فيها لفات الإلكترونات (أسهمها المغناطيسية الصغيرة) مرتبة بترتيب صارم، لكن إجمالي المغنطة يساوي صفرًا، كما في المغناطيس المضاد.

ورقتان شفافتان مرسوم عليهما دوائر. إذا طُبقتا تمامًا، تتطابق الدوائر. لكن بمجرد إمالة إحداهما قليلًا، يظهر نمط جديد: في بعض الأماكن تتزاحم الدوائر، وفي أخرى تتباعد. هكذا تقريبًا يعمل الموار (moiré) — نمط غير متوقع ينشأ من تدوير بنيتين دوريتين. في هذا العمل، طبق العلماء الفكرة نفسها على الصوت، وبالتحديد على مجال سرعة الجسيمات الصوتية فوق سطح مثقوب.

المصباح اليدوي العادي يعطي ضوءًا تتذبذب موجاته في جميع الاتجاهات في آن واحد. لكن إذا مررنا الضوء عبر مرشح خاص، يمكننا الحصول على شعاع يتذبذب في مستوى واحد بدقة — وهذا هو الضوء المستقطب. عندما يمر هذا الشعاع عبر نسيج بيولوجي، فإن بنيته الداخلية تغيّر اتجاه التذبذب قليلًا. سابقًا، كانت هذه التغيرات توصف بكميات بسيطة مثل متوسط الالتواء أو فقدان الاستقطاب.

سلاسل السبين الكمومية تشبه صفًا من الناس يتبادلون مصافحة سرية: يلتفت كل منهم إلى جاره، وتعتمد كيفية انتقال الموجة عبر السلسلة بأكملها على مدى قوة قبض أيديهم. في نموذج سلسلة هايزنبرغ المثالية — أساس المغناطيسية الكمومية — كل المصافحات متطابقة.

بعض المواد من الداخل أشبه بشريط موبيوس — فحالاتها الإلكترونية ملتوية بطريقة خاصة. عادةً ما يُحاول تغيير هذه الخصائص الطوبولوجية بمجال مغناطيسي قوي، وكأننا نحاول تسطيح الشريط بمطرقة ثقيلة. لكن مجموعة من الباحثين وجدت أداة أدق. اتضح أنه في العوازل الطوبولوجية المغناطيسية يمكن الاكتفاء بدوران خفيف للمغناطيسية الداخلية. هذا يشبه المفتاح في القفل الذي يفتح الباب دون عنف.

دوامات مغناطيسية بحجم عشرات النانومترات — مثل أعاصير صغيرة مجمدة في المعدن. تُسمى سكيرميونات، وتتصرف بشكل مستقر بشكل مدهش: يصعب تدميرها، لكن يسهل تحريكها. ولهذا يرى المهندسون فيها "خلايا" مثالية لذاكرة المستقبل — سريعة واقتصادية ولا تخشى الأعطال. لكن حتى الآن، لم يكن أحد يعرف كيف يُبنى هذا الدوامة بالضبط داخل سماكة المادة.

الجسيم الكمومي، عندما يجري عبر حلقة مغلقة، يترك على مساره «سجلين» مختلفين. الأول – كبصمة إصبع على مقبض الباب: يبقى دون تغيير مهما أدرت المقبض، ويخبر فقط عن الشكل والمادة. في الفيزياء، يُسمى هذا هولونوميا ويلسون (Wilson holonomy) – وهو مسؤول عن تداخل الموجات ونقل السبين الداخلي (الإبرة المغناطيسية الصغيرة للجسيم) دون النظر إلى الطاقة.

تخيل جسيمين كموميين مرتبطين بخيط غير مرئي — ارتباط كمومي. أحدهما يفقد الطاقة، والآخر يكتسب نفس المقدار تمامًا، بحيث يبقى المخزون الإجمالي ثابتًا. إذا لاحظت الجسيم الأول فقط، فإن تذبذباته لا تخمد: يبقى الإيقاع ثابتًا تمامًا مثل النجم النابض — نجم نيوتروني دوار يصدر نبضات دورية صارمة. من الخارج، يبدو أن الإنتروبيا — مقياس الفوضى في النظام تتزايد، وتشتد الفوضى.

المشط الذي يُمشط به الشعر يجذب قصاصات الورق. هذه الحيلة الفيزيائية البسيطة قرر العلماء تطبيقها على المستوى المجهري — للتحكم في الدوامات المغناطيسية التي تُسمى السكيرميونات. يشبه السكيرميون إعصارًا صغيرًا في بحر من المغنطة: في مركزه تشير إبر البوصلة إلى الأعلى، وعند الأطراف تلتف إلى الأسفل. هكذا تتشكل عقدة مستقرة لا تنحل من تلقاء نفسها.

الدوامة المغناطيسية، أو السكيرميون، تشبه دوامة مائية صغيرة في بحر السبينات (Spin) — العزوم المغناطيسية الذاتية للذرات. وكقمع في النهر، يلف المغنطة حول نفسه، وهذا النمط شديد الثبات: يصعب تدميره بالاهتزازات العشوائية. لذلك يُنظر إلى السكيرميونات كحاملات معلومات لرقائق المستقبل — دوامة واحدة قد تخزن بتًا، ويمكنها التحرك بتيارات صغيرة. لكن هناك عقبة.

يدير السائق عجلة القيادة لتنعطف السيارة. في العالم الكمومي أيضًا توجد «عجلات قيادة» — معاملات خارجية تُغيَّر ببطء لنقل الجسيمات من مكان إلى آخر. هكذا يعمل مضخة ثاوليس: بتغيير الظروف ببطء، يمكن نقل عدد محدد بدقة من الجسيمات، وهذا العدد محمي من الاضطرابات بهندسة العملية نفسها. ولكن ماذا لو أزلنا السائق وتركنا النظام يدير عجلته بنفسه؟ اقترح مؤلفو العمل الجديد هذا بالضبط.

الغاز المتساقط نحو الثقب الأسود يلتف في شكل حلزوني، مثل الماء في القمع. في هذا التدفق، تتولد وتنفجر حلقات مغناطيسية باستمرار — تشبه التوهجات الشمسية تقريبًا، لكنها أقوى بكثير. كل حلقة من هذه الحلقات هي مغناطيس صغير يعيش حياته الخاصة.

لهب الشمعة يرتجف من تيار الهواء لكنه لا ينطفئ — فاللسان يغير شكله للحظة ثم يعود. تقريبًا هكذا تتصرف السكيرميونات الضوئية الفحص المجهري الضوئي — دوامات صغيرة في مجال الشعاع تشبه الدوامات المائية. حتى وقت قريب، كانت تُنتج فقط في ضوء ليزر مثالي ومستوٍ. أدنى تموج — وتتفكك الدوامة.

في بلورة Rb1-xV2Te2O، تصطف مغازل ذرات الفاناديوم في نمط رقعة الشطرنج: كل مغزل محاط بمغازل متعاكسة. يُسمى هذا النمط بالمغناطيسية الحديدية المضادة من النوع G. النيوترونات، عند مرورها عبر العينة، تتبعثر على هذا النمط وتكشف عن هندسته — مثل ضوء مصباح يدوي يمر عبر ستائر معتمة فيرسم خطوطًا على الجدار.

في مصيدة كهرومغناطيسية، شكل الباحثون بلورة أيونية — بنية منتظمة من 150 أيونًا مبردًا إلى درجات حرارة منخفضة للغاية درجات الحرارة. كل أيون يتصرف كمغناطيس أولي، لفه المغزلي هو متجه يمكن توجيهه في الفضاء بحرية.

بلورة إيريدات البيروفسكايت SrIrO₃ تشبه صفًا من الجنود، حيث يحمل كل ذرة إيريديوم عزمًا مغناطيسيًا. عندما يُستبدل جزء من "جنود" الإيريديوم بالقصدير، الذي لا يمتلك عزمًا مغناطيسيًا، يخف الصف.

في طبقة رقيقة من البلورة السائلة — مادة تتدفق كالسائل، لكن جزيئاتها مرتبة بانتظام كما في الجسم الصلب — تولد دوامات أصغر من سمك شعرة الإنسان. تشبه هذه الدوامات قممًا دوارة صغيرة: يمكنها التحرك دون أن تتفكك، وتتصرف تقريبًا كجسيمات حقيقية.

تشبه بلورة Fe₃Sn₂ شبكة منقوشة، حيث توجد ذرات الحديد في زوايا أشكال سداسية. في الظروف العادية، تكون أسهمها المغناطيسية مصطفة بدقة، مثل جنود في طابور. ولكن بمجرد ضغط البلورة، ينهار هذا الطابور. تحت ضغط يبلغ حوالي 20 جيجاباسكال (وكأن عشرين فيلًا يقفون على ظفر إصبع)، تعيد الشبكة ترتيب نفسها قليلًا.

طبقتان من مادة مغناطيسية، مكدستان بزاوية نسبية بكسور من الدرجة — مثل شبكتين منزاحتين قليلاً على نافذة. في الحالة العادية، لا تنتجان أي شيء مميز، لكن عند زاوية معينة من الدوران، تظهر في المادة تأثيرات غير متوقعة.

الإلكترون ليس مجرد كرة صغيرة، بل يدور أيضًا حول محوره مثل القمة الدوّارة. في الظروف العادية، تكون هذه القمم موجهة في اتجاهات مختلفة وتضطرب بسرعة. لكن في بعض المواد، حيث يرتبط اللف المغزلي بحركة الإلكترون، ينشأ نظام مذهل: جميع القمم تشير في اتجاه واحد، واتجاهها لا يعتمد على السرعة. سُميت هذه الحالة بالنسيج المغزلي الثابت (PST).

تشبه المغناطيسات المتناوبة قاعة رقص تدور فيها الأزواج في اتجاهات متعاكسة: القاعة ساكنة، لكن الحركة المنتظمة تحتدم في داخلها. هكذا تشكل اللفات المغزلية للإلكترونات (اتجاه دورانها) أنماطًا معقدة دون إنتاج مغناطيسية كلية. هذه 'الكوريغرافيا' الخفية تتيح للإلكترونات ذات اللف المغزلي المختلف التحرك في اتجاهين متضادين، مثل راقصين يتفرقون نحو أطراف حلبة الرقص.

غطاء برطمان المربى الذي يصدر فرقعة هو بطل هذه القصة. تضغط عليه، فيقفز من الوضع المحدب إلى الوضع المقعر بفرقعة عالية. تمامًا هكذا تتصرف العارضة ذات المفصل داخل كل خلية من الشبكة الميكانيكية الجديدة. جمع العلماء من هذه العوارض المفرقعة شبكة سداسية — مثل قرص العسل، لكن من ألواح مرنة. عندما تُضغط إحدى العوارض فجأة، تنقلب وتدفع جارتها. تلك تنقلب أيضًا، وتجري عبر الشبكة موجة منفردة: انحناءة واحدة لا تنتشر ولا تخمد.

يسقط شعاع ضوء على صفيحة معدنية ذات بنية مربعة، فيظهر على سطحها نمط من الدوامات المغناطيسية الدقيقة — مثل تموجات على الماء، لكنها متجمدة ومنتظمة. تُسمى هذه الدوامات سكيرميونات (skyrmions)، وتتصرف مثل قمم دوّارة يمكن أن تدور في اتجاهات مختلفة.

دوامتان مغناطيسيتان صغيرتان، تُسميان سكيرميونات، تسبحان عبر غشاء رقيق. عندما تقتربان من بعضهما، تنشأ بينهما ليست قوة تجاذب أو تنافر بسيطة، بل تناوب بين الاثنين - كما لو أن عوامتين على الماء تقتربان وتتباعدان، خاضعتين لموجة غير مرئية. اتضح أن القوة بين السكيرميونات تغير إشارتها بشكل دوري: أولاً يتجاذبان، ثم يتنافران، وهكذا يتكرر ذلك بخطوة محددة.

داخل قطعة من مادة مغناطيسية، تُرتَّب لفات الإلكترونات — وهي أسهم مغناطيسية صغيرة — عادة في أنماط بسيطة. لكنها أحيانًا تلتف لتشكل دوامات، مثل الماء في القمع، وقد تنعقد هذه الدوامات لتكوين عُقَد. سابقًا، كان الحصول على هذه العُقَد، التي سميت هوبفيونات، ممكنًا فقط في عينات ذات أشكال خاصة، مقطوعة بدقة متناهية. الآن وجد الباحثون طريقة أبسط.

بوصلة مغناطيسية في أنبوب اختبار — يبدو وكأنه خدعة سحرية، لكنه فيزياء خالصة. في محلول الفومارات (ملح حمض الماليك)، تتصرف نوى الكربون-13 وكأنها قمم دوارة صغيرة. عندما ينخفض المجال المغناطيسي الخارجي إلى 400 نانو تسلا — أي أضعف بمئة ألف مرة من مجال الأرض — يكاد مستويا الطاقة لهذه القمم يندمجان.

قطرة حبر تسقط في كأس ماء، وبدلاً من بقعة منتظمة تولد حلقة تبدأ فوراً بالدوران. هكذا تقريباً يبدو ميلاد السكيرميون: الضوء المنبعث من مصدر صغير يلتف في دوامة مستقرة. حتى وقت قريب، كانت هذه الدوامات تُنتج فقط من ليزرات كبيرة. أما الآن فقد تعلّم العلماء إنشاءها من ذرات مفردة مباشرة على الشريحة. السر يكمن في السطح الذي يوضع عليه مصدر الضوء.

الحاسوب الكمومي يشبه الأوركسترا حيث تعزف الآلات الوترية والهوائية بلغات مختلفة. المعالجات فائقة التوصيل تتعامل مع فوتونات الميكروويف في دوائر سنتيمترية، بينما الكيوبتات اللفية المغزلية — مثل مراكز النيتروجين-الشاغرة — تخزن المعلومات على مقياس ذرات مفردة. التواصل المباشر بينها مستحيل كما هو الحوار بين الحوت والنملة.