اكتشف الفيزيائيون حالات تذبذب جديدة وغريبة داخل الدوامة المغناطيسية

قد تتيح أمشاط تردد ماجنون الارتباط والتفاعل مع مجموعة واسعة من الأنظمة المادية، مما يفتح مسارات جديدة للاتصال والتحكم بين التقنيات المنفصلة.

الباحثون في مركز هيلمهولتز دريسدن روسيندورف (HZDR) حددوا نوعًا غير معروف سابقًا من التردد في الدوامات المغناطيسية الصغيرة للغاية، والمعروفة باسم الشروط Floquet. وعلى النقيض من الدراسات السابقة التي اعتمدت على نبضات ليزر قوية لتوليد هذه الالشروط، وجد فريق دريسدن أن التحفيز اللطيف باستخدام الموجات المغناطيسية يكفي لتحفيز التأثير.

وهذا الاكتشاف له آثار على الفيزياء الأساسية وقد يشير أيضًا إلى تطبيقات عملية. وعلى المدى الطويل، يمكن أن تعمل كنوع من الموصل العالمي الذي يربط بين التقنيات الإلكترونية، والإلكترونية السبينية، والكمية. يصف الباحثون النتائج التي توصلوا إليها في المجلة علوم.

تنشأ الدوامات المغناطيسية في أقراص رقيقة للغاية بحجم ميكرون مصنوعة من مواد مغناطيسية مثل النيكل والحديد. داخل هذه الهياكل، تصطف العزوم المغناطيسية الفردية، غالبًا ما تُقارن بإبر البوصلة المجهرية، بشكل طبيعي في ترتيبات دائرية. عندما يتم إزعاج النظام من الخارج، يمكن أن تنتقل الموجات عبره بطريقة مشابهة لموجة حشد منسقة في الملعب. تتحرك كل لحظة مغناطيسية صغيرة قليلًا وتمرر حركتها إلى جارتها. يطلق الفيزيائيون على هذه الحركات الشبيهة بالموجة المشتركة اسم “المجنون”.

يوضح قائد المشروع الدكتور هيلموت شولثيس من معهد أبحاث فيزياء الشعاع الأيوني والمواد في HZDR: “يمكن لهذه الماغنونات نقل المعلومات عبر المغناطيس دون الحاجة إلى نقل الشحنة”. “هذه القدرة تجعلها جذابة للغاية للبحث في تقنيات الحوسبة من الجيل التالي.”

بدأ الفريق في استكشاف هذا السلوك أثناء العمل مع الأقراص المغناطيسية الصغيرة بشكل خاص، مما أدى إلى تقليص أقطارها من عدة ميكرومترات إلى بضع مئات من النانومترات فقط. كان الهدف الأصلي هو دراسة كيف يمكن للأقراص ذات الأحجام المختلفة أن تكون مفيدة للحوسبة العصبية، وهو نهج ناشئ يحاكي كيفية معالجة الدماغ للمعلومات. لكن أثناء التحليل، لاحظ الباحثون شيئًا غير متوقع. بدلًا من ذروة رنين واحدة، أظهرت بعض الأقراص مجموعة كاملة من الخطوط المتقاربة في أطيافها، مشكلةً ما يسميه العلماء مشط التردد.

يتذكر شولثيس: “في البداية افترضنا أنها مجرد قطعة أثرية في القياس، أو نوع من التداخل”. “ولكن عندما كررنا التجربة، ظهر التأثير مرة أخرى. وذلك عندما أصبح من الواضح أننا كنا ننظر إلى شيء جديد حقا.”

قلب دوامة دوارة

يعود تفسير هذا السلوك إلى الأفكار الرياضية التي قدمها عالم الرياضيات الفرنسي جاستون فلوكيه. وفي أواخر القرن التاسع عشر، أثبت أن الأنظمة المعرضة لقوى منتظمة ومتكررة يمكن أن تدخل حالات حركة جديدة. عندما يتم قيادة النظام بشكل إيقاعي، فإنه يمكن أن يطور تذبذبات لا يمكن أن توجد في ظل ظروف مستقرة. حتى الآن، عادةً ما يتطلب إنشاء حالات Floquet هذه نبضات ليزر مكثفة وكميات كبيرة من الطاقة.

اكتشف فريق دريسدن أنه في الدوامات المغناطيسية، يمكن أن تظهر حالات الفلوكيت ذاتيًا – بشرط إثارة المغنونات بقوة كافية. في هذه الحالة، يقومون بنقل جزء من طاقتهم إلى قلب الدوامة، مما يجعلها تؤدي حركة دائرية دقيقة حول مركزها. هذه الحركة الدقيقة كافية لتعديل الحالة المغناطيسية بشكل إيقاعي.

من الناحية التجريبية، يظهر التأثير على شكل مشط ترددي: فبدلاً من رنين حاد واحد، تظهر حزمة كاملة من الخطوط المتباعدة بانتظام – تشبه إلى حد كبير نغمة نقية تنقسم إلى سلسلة من النغمات التوافقية. يقول شولثيس: “لقد أذهلنا أن مثل هذه الحركة الدقيقة للنواة كانت كافية لتحويل طيف المغنون المألوف إلى مجموعة كاملة من الحالات الجديدة“.

مع ميكرووات لأمشاط التردد

ما يجعل هذا الأمر رائعًا للغاية هو الكفاءة: يمكن إطلاق العملية باستخدام طاقة منخفضة للغاية. وفي حين تتطلب الأجهزة الأخرى نبضات ليزر عالية الطاقة، فإن المدخلات على مستوى الميكروواط فقط تكفي هنا – وهو جزء صغير من الطاقة التي يستهلكها الهاتف الذكي في وضع الاستعداد. وهذا يفتح إمكانيات مثيرة للاهتمام. على سبيل المثال، يمكن أن تساعد أمشاط التردد هذه في مزامنة الأنظمة المتباينة، مما يؤدي إلى ربط فائق السرعة تيراهيرتز الظواهر مع الإلكترونيات التقليدية أو المكونات الكمومية.

يوضح شولثيس: “نحن نسميه المحول العالمي”. “تمامًا كما يسمح محول USB للأجهزة ذات الموصلات المختلفة بالعمل معًا، يمكن لـ Floquet magnons سد الترددات التي قد تظل غير متوافقة.”

وبالنظر إلى المستقبل، لدى الفريق بالفعل خطط لاستكشاف ما إذا كان هذا المبدأ يمتد إلى الهياكل المغناطيسية الأخرى. قد يكون هذا التأثير مفيدًا أيضًا في تطوير بنيات حاسوبية جديدة، لأنه يمكن أن يسهل الاقتران بين الإشارات المغنطيسية والدوائر الإلكترونية والأنظمة الكمومية.

يؤكد شولثيس: “من ناحية، يفتح اكتشافنا آفاقًا جديدة لمعالجة الأسئلة الأساسية في المغناطيسية”. “ومن ناحية أخرى، يمكن أن تكون في نهاية المطاف بمثابة أداة قيمة للربط بين مجالات الإلكترونيات، والإلكترونيات السبينية، وتكنولوجيا المعلومات الكمومية.”

تم استخدام برنامج Labmule الذي تم تطويره في HZDR، والذي يتم تقديمه كأداة لأتمتة المختبر، لجميع قياسات الدوامات المغناطيسية ولتقييم البيانات من أجهزة القياس المختلفة.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.