إلكترونيات مغزلية

كل مذبذب يحمل بوصلته الخاصة المدمجة في الشبيكة البلورية. في السابق، لم يكن بوسع مذبذبات هول السبينية النانوية، وهي مصادر دقيقة للموجات الدقيقة تعمل بتيار سبيني، أن تستغني عن مغناطيس خارجي: فهو الذي كان يحدد المحور المشترك الذي تدور حوله المغنطة. وبدون هذا المغناطيس تفقد جميع عناصر المصفوفة نظامها المشترك، ومعها قدرتها على التزامن.

راقصان على مسرح واحد: أحدهما يجذب شريكه نحو جهة، والآخر نحو الجهة المعاكسة. في بلورة Cu2(OH)3Br، المعروفة باسم بوتالاكيت، تترتب ذرات النحاس في سلاسل حيث تتوازى سبينات (عزوم مغناطيسية) الأيونات المتجاورة أحيانًا كما في الفيرومغناطيسية، وتتضاد أحيانًا أخرى كما في المغناطيسية المضادة.

قفل باب بمفتاحين مختلفين: أحدهما يدور بسهولة، والآخر يتطلب جهدًا ملحوظًا. هكذا تتصرف طبقتان من نيتريد البورون السداسي عند تدويرهما بالنسبة لبعضهما. تتكون هذه المادة من ذرات البورون والنيتروجين مرتبة في شبكة سداسية، ويمكن لطبقاتها أن تستقر في أوضاع مختلفة، مثل شبكتين متطابقتين مزاحتين بزوايا مختلفة.

في بعض البلورات، لا تتوزع الإلكترونات بشكل متجانس، بل تنتظم في رقعة شطرنج صارمة: في خلية واحدة يكون عدد الإلكترونات أكبر، وفي الخلية المجاورة أقل. يُسمى هذا النمط بالنظام الشحني، وظلّ لفترة طويلة يُعتبر شيئًا جامدًا، مثل رسم على زجاج متجمد. لكن في الآونة الأخيرة تبيّن أن هذا النمط يمكن قلبه، تمامًا كما يُقلب النظام المغناطيسي بنبضة تيار.

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.

البلورة تشبه مدينة بشوارع مختلفة: في بعضها تسير السيارات بسرعة ولمسافات طويلة، وفي البعض الآخر ببطء وتعلق. في المادة الطبقية CrPS₄، تتصرف الموجات المغناطيسية التي تحمل السبين (العزم الذاتي للجسيم) بنفس الطريقة. على طول محور واحد من البلورة، تسير أسرع بمقدار 2.2 مرة وتقطع مسافة أكبر بمقدار 2.7 مرة مقارنة بالمحور الآخر.

طبقتان من الغرافين — وهما أنحف طبقات الكربون بسماكة ذرة واحدة — موضوعتان كخبز الساندويتش. بينهما طبقة ممغنطة من CrSBr (بروموكبريتيد الكروم). عندما يمر تيار كهربائي عبر هذه الشطيرة، تعتمد المقاومة على اتجاه العزوم المغناطيسية في الطبقة الوسطى.

في سحابة ذرات فائقة البرودة، مبرَّدة إلى ما يقارب الصفر المطلق، تنشأ مناطق ذات اتجاهات مختلفة للمغزل المغزلي — العزم الزاوي الذاتي للجسيمات، الذي يمكن تصوره كمغناطيسات صغيرة. تشبه هذه المناطق مناطق ذات مغنطة مختلفة، وتسمى الحدود بينها بالجدران المجالية.

ذرة إربيوم مفردة مثبتة على ركيزة فضية تخزن المعلومات الكمومية في دورانها – الزخم الزاوي الذاتي للإلكترون، والذي يمكن تصوره كدوران داخلي. حتى وقت قريب، كان قلب هذا الدوران يتطلب نبضة مغناطيسية – أداة خشنة تؤثر على الذرات المجاورة وتعمل ببطء. الآن، أظهر فيزيائيون من ألمانيا وكوريا أن جهدًا كهربائيًا واحدًا يكفي.

السلك الكمومي هو طريق سريع تندفع فيه الإلكترونات في تدفق كثيف. لكل إلكترون دوران داخلي خاص به — السبين — وكان يُعتقد حتى وقت قريب أن فصل هذا التدفق إلى مسارين، لدوران "أيسر" و"أيمن"، دون فقدان النظام الكمومي شبه مستحيل. كانت هناك حاجة إما إلى مغناطيسات قوية أو حيل معقدة مع فقدان الطاقة.

التيار الكهربائي العادي يسخن الأسلاك — وهذا يعرفه كل من لمس شاحن هاتفه. لكن هناك تيارًا من نوع آخر: فيه لا تندفع الإلكترونات كجماعة في اتجاه واحد، بل تدور بشكل متزامن، مثل المتزلجين في التزلج الثنائي. هذا الدوران المتناسق يُسمى التيار المغزلي، وهو لا يصدر حرارة تقريبًا.

كل ذرة في المغناطيس تشبه سهم بوصلة صغير. يمكن لهذه الأسهم أن تدور في اتجاهات مختلفة، وتعتمد خصائص المادة بأكملها على رقصتها الجماعية. لكن حساب هذه الرقصة مباشرة، ذرة بذرة، مهمة شاقة حتى لأقوى الحواسيب العملاقة. النموذج الجديد المسمى STEP يتولى دور قائد الأوركسترا. فهو لا يحاول إعادة حساب كل حركة، بل يتعلم التقاط القواعد التي تتفاعل بها الأسهم المغناطيسية مع هيكل البلورة (شبكتها).

أرضية خشبية (باركيه) حيث كل لوح ثانٍ مُدار في الاتجاه المعاكس تبدو متناظرة. لكن إذا مررت يدك، ففي اتجاه واحد تنزلق أصابعك مع الألياف، وفي الاتجاه الآخر تتعثر. بهذه الطريقة تقريبًا يعمل نوع جديد من المغناطيسية تمت دراسته في بلورة AgCrP2S6. في هذه المادة الطبقية، تصطف ذرات الكروم في سلاسل طويلة — مثل خيوط الخرز.

الكتاب مفتوح في منتصفه. يجري التيار على طول ظهر الكتاب، بينما تبقى الصفحات باردة. هكذا تقريبًا يعمل العازل الطوبولوجي ثنائي الأبعاد — مادة يتدفق فيها الكهرباء فقط عبر الحواف، بينما يظل الداخل ثابتًا. كان يُعتقد سابقًا أن هذه الحيلة تتطلب بلورات خاصة ذات "دوامة" داخلية قوية تقلب نطاقات الطاقة. الأمر أشبه بالبحث عن كتاب بظهر موصل مدمج — الخيارات محدودة.

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.

في بعض البلورات، تتذبذب العزوم المغناطيسية للذرات بتناغم، مثل موجة في ملعب رياضي. تنقل هذه الموجة اللف المغزلي دون تيار شحنات، فلا تُسخن المادة. يشبه هذا التدفق نهراً غير مرئي — هادئاً وبارداً. المغناطيسات المتناوبة ثنائية الأبعاد هي مواد مميزة: تسير الموجات المغزلية فيها بشكل مختلف على طول المحاور المختلفة. لكن يمكن تغيير شكل البلورة.

الحاسوب الكمومي يشبه أوركسترا، حيث يجب على كل عازف — وهو الكيوبت — أن يعزف دوره بدقة وفي الوقت المناسب. عادةً ما يُجلَس العازفون في أماكن ثابتة وتُربط بينهم أسلاك تشبه منصات القيادة.

أي جهاز قياس يفسده الضوضاء الكمومية - الاهتزاز العشوائي للجسيمات الأولية. لتهدئته، طبق الفيزيائيون على جزيئات فلوريد الكالسيوم حيلة تشبه ضغط البالون: تضغط في مكان واحد فينتفخ في آخر. هنا نفس الفكرة: يتم تحويل عدم اليقين الكمومي إلى معلمة غير مهمة للقياس، ويصبح المقدار المطلوب أكثر دقة بثلاث مرات. البالون المضغوط: ضُغط في مكان فانتفخ في آخر.

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.

يُمرَّر تيار كهربائي عبر نابض من الجزيئات العضوية — وعند الخرج نجد أن الإلكترونات تدور جميعها تقريبًا في اتجاه واحد. هذه الحيلة تُعرف بالانتقائية الحلزونية للسبين، وقد أرّقت الفيزيائيين طويلًا. في الذرات الخفيفة، يكون السبين (الدوران الذاتي للجسيم) مرتبطًا بحركة الشحنة بشكل ضعيف جدًا بحيث لا يكفي لضمان فرز شبه كامل.

الشريط المطاطي يتمدد ثم يعود إلى وضعه. النابض الفولاذي ينضغط ثم يرتد. تبدو المرونة خاصية للأشياء البسيطة — قطعة معدنية أو قطرة هلام. لكن مؤلفي هذا العمل نظروا أعمق. لقد أظهروا أن اللف المغزلي للإلكترون — دورانه الصغير الخاص — يمكن أن يكون مرنًا أيضًا. القمة الدوارة لا تدور فقط: فهي تتشوه قليلًا عند الدفع ثم تستعيد شكلها. هذا بالضبط ما يفعله اللف المغزلي في ظروف معينة.

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.

في قطعة من مغناطيس عادي، جميع لفات الإلكترونات — الإبر المغناطيسية الصغيرة — تشير في اتجاه واحد. إنه كطابور جنود يستديرون لمواجهة القائد. يُسمى هذا الترتيب مغناطيسًا بديلًا خطيًا. لكن الفيزيائيين وجدوا طريقة لجعل الطابور «يرقص»: باستخدام شعاعي ليزر بلونين مختلفين يضربان المادة بتناغم تام، يمكن إنشاء نوع جديد من النمط المغناطيسي في المادة.

في مغناطيس صغير، المعلومات لا تُخزَّن في اتجاه السهم، بل في كيفية تناوب اتجاهات ذراته. في المواد المضادة للمغناطيسية، تعوض هذه الأسهم بعضها البعض، لذلك يبدو المادة من الخارج غير مغناطيسية. الكتابة موجودة، لكن لا يمكن قراءتها بالطريقة العادية: الحالة مثل رسالة مكتوبة بحبر غير مرئي. وجد الفيزيائيون طريقة لإظهار هذا الحبر. قرّبوا طرف مسبار المسح الضوئي من سطح المادة وأضاءوه بضوء تحت الأحمر.

بين المغناطيسات هناك أساتذة هادئون في التحول. المغناطيس العادي يجذب المشابك الورقية وله قطان — شمال وجنوب. وهناك مواد مصممة داخليًا مثل رقعة شطرنج مغناطيسية: ذراتها مرتبة بانتظام صارم، لكن خارجيًا تتصرف المادة بشكل محايد، وكأن المغناطيس غير موجود إطلاقًا. تسمى هذه المواد بالمغناطيسات التبادلية (alternmagnets). درس الفيزيائيون 135 مادة من هذا القبيل من قاعدة بيانات مفتوحة.

ضفتان فائقتا التوصيل تربطهما جسر من مادة مغناطيسية. داخل الجسر يوجد جدار المجال المغناطيسي: حد ضيق تنعطف عنده المغنطة كما ينعطف صف من الجنود عند تغيير اتجاه الخطوة. التيار الذي يمر عبر هذا الجسر لا يتصرف مثل نهر هادئ، بل مثل تيار يلتف حول عائق: فهو يلتف في حلقات ويغير شدته.

في غشاء رقيق من أكسيد النيكل، تُرتَّب المناطق المغناطيسية مثل قطع الفسيفساء في نظام صارم. نبضة ليزر واحدة تسخّن المادة فجأة، فتتناثر الفسيفساء: تفقد النطاقات توجهها وتختلط. وقد التقط العلماء هذه العملية باستخدام التصوير المغناطيسي البصري (magneto-optical imaging) — وهي تقنية تُظهر البنية المغناطيسية من خلال تغير استقطاب الضوء.

السجادة ممددة بشكل مستوٍ، لكن إذا دفعتها من الحافة، تنتشر عليها الطيات. في الغشاء الرقيق من كبريتيد التنتالوم (1T-TaS2)، تتجمد طيات الإلكترونات – أمواج الشحنة – كما لو أن السجادة قد تجمدت على الأرض. لتحريكها، يلزم بذل جهد. وجد العلماء طريقة للتحكم في هذا الجهد باستخدام حقل كهربائي ومغناطيس.

عادةً ما يعمل التيار في المعدن مثل الماء المغلي على الجليد: فهو يسخن المادة ويدمر النظام المغناطيسي. لكن في بنية طبقية من ثنائي تيلوريد التنجستن والمغناطيس الحديدي Fe3GeTe2، يتصرف التيار بشكل مختلف. فهو لا يسخن، بل يحرض داخل الطبقة المجاورة مجالًا مغناطيسيًا إضافيًا — كما لو أنك لا تذيب الجليد بل تجمده أكثر.

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.

في معظم المواد المغناطيسية، يتحرك جدار المجال المغناطيسي — وهو الحد الفاصل بين المناطق ذات المغنطة المختلفة — تحت تأثير التيار في اتجاه واحد يحدده اتجاه التيار. لكن في المغناطيسية الحديدية المضادة بالقرب من نقطة خاصة حيث يعوض الزخم الزاوي للشبكتين الفرعيتين بعضهما البعض، يتغير السلوك.

داخل المغناطيس توجد مناطق تتجه فيها جميع المغناطيسات الذرية في اتجاه واحد. بين هذه المناطق توجد منطقة انتقالية ضيقة حيث يتغير اتجاه المغنطة تدريجيًا. تسمى هذه المنطقة بالجدار المغناطيسي (domain wall). في السابق، كان يُعتقد أنها عديمة الوزن: بمجرد دفعها تتوقف فورًا. لكن التجارب الجديدة أظهرت أن للجدار قصورًا ذاتيًا. لا يمكنه التسارع أو التباطؤ لحظيًا. القصور الذاتي يجعل الجدار يشبه كرة ثقيلة.

قطعة الوقود النووي داخل المفاعل ليست مجرد جسم صلب. عند التسخين، تبدأ ذرات اليورانيوم في "تحريك" عزومها المغناطيسية، وهذه الحركة تغير التوصيل الحراري وخصائص أخرى. في السابق، كان من شبه المستحيل حساب هذا السلوك بدقة: الحسابات الكمومية تتطلب موارد لا يمكن تصورها، والنماذج العادية لا تأخذ في الاعتبار الارتباط بين المغناطيسية واهتزازات الشبكة البلورية.

إذا ضغطت على لوح يحتوي على خلايا على شكل أكورديون، فستنتشر عبره موجة انثناء — مثل ثنية في سجادة عندما تُدفع بالقدم. هذه الموجات قادرة على تبديل المادة بين شكلين مستقرين، ويُبنى عليها ما يسمى بالذاكرة الميكانيكية. ولكن إذا اعترض طريق الثنية ساق طاولة، فإنها تعلق. في العمل الجديد، أظهروا كيفية تحريكها من مكانها دون استخدام القوة الغاشمة.

بكتيريا في قطرة ماء تبحث عن طعام. حولها تدرّج كيميائي: جزيئات الطعام أكثر في جهة وأقل في أخرى. كيف تتحرك لتصل إلى المكان المشبع بأسرع وقت؟ يمكنها التوجيه بنعومة، مثل راكب دراجة يتفادى بركة ماء. أو يمكنها — كما تفعل البكتيريا — أن تتوقف دورياً وتتدحرج وتسبح في اتجاه عشوائي.

في السلك العادي، تدفع الحرارة الإلكترونات — وهذا هو تأثير زيبيك (Seebeck effect)، المعروف من المزدوجات الحرارية. لكن في المغناطيسات، الأمور أكثر تعقيدًا: هناك، تمتلك حاملات التيار أيضًا مغزلًا، أي "قمة دوارة" خاصة بها.

إذا ألقيت حجرًا في بركة، ستنتشر دوائر على الماء. في بلورة مغناطيسية صغيرة أيضًا توجد موجات — لكن ما يهتز ليس الماء، بل اتجاه المغنطة. تُسمى هذه الموجات بالموجات المغزلية (spin waves). تجري عبر البلورة مثل تموجات على السطح، ويمكنها حمل المعلومات. أخذ الفيزيائيون صفيحة من حديقة الإيتريوم الحديدية — وهي بلورة برتقالية شفافة تُقدَّر لنقاء تذبذباتها المغناطيسية.

كل إلكترون يشبه قمة دوارة: فهو يدور حول محوره. هذا الدوران يُسمى السبين. في الإلكترونيات التقليدية لا يُستخدم السبين — فقط الشحنة. لكن هذا إهمال: إذا تعلمنا التحكم في السبين، ستصبح الرقائق أسرع وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة.

يُولد الضوء في أشباه الموصلات من أزواج من الشحنات — إلكترون وثقب، ينجذبان لبعضهما مثل المغناطيس إلى الثلاجة. يُسمى هذا الزوج إكسيتونًا. إذا أُضيفت شحنة أخرى إلى الزوج، نحصل على ثلاثي أيوني — «ثلاثة» من ثلاثة جسيمات.