الملخص:
حقق فريق بحث جامعة أوساكا في اليابان مؤخرًا تقدمًا في علوم المواد: استخدم الباحثون معدن الكوبالت الشائع نسبيًا لبناء هيكل قرص العسل المحلي من الكوبالت في فيلم أكسيد مع بنية بلورية قرص العسل الموجودة، ولاحظوا مغناطيسية خاصة تتعلق بالمواد الكمومية من نوع كيتايف. يوفر هذا الإنجاز نظامًا ماديًا جديدًا لا يعتمد على المعادن النادرة مثل الروثينيوم والإيريديوم لدراسة الحالات الكمومية الغريبة مثل السوائل المغزلية الكمومية.
المادة الأساسية التي اختارها الباحثون هي أنتيمونات الصوديوم (NaSbO₃)، والتي تحتوي في حد ذاتها على بنية قرص العسل متعددة الطبقات. أضاف فريق البحث حوالي 4% من الكوبالت إليه، مما سمح لذرات الكوبالت بتكوين بنية قرص العسل CoO₆ محليًا دون تدمير البنية البلورية الأصلية واسعة النطاق.
ثم استخدم الباحثون التحليل المجهري للتأكد من أن ذرات الكوبالت قد تم تجميعها بالفعل في بنية قرص العسل المحلية كما تنبأت النظرية، ولم يتم تشكيل أي مرحلة ثانية واضحة غير مرغوب فيها. وهذا أمر مهم لأنه لإنشاء مادة ذات مغناطيسية كمومية محددة، لا يكفي مجرد إضافة عنصر إلى بلورة أخرى. يجب أن تشكل ذرات المنشطات أيضًا بنية محلية مستقرة بدرجة كافية مع ترتيب هندسي محدد.
يكمن مفتاح هذا البحث في ترتيب قرص العسل نفسه. يتم تقييم مواد كيتايف من قبل الفيزيائيين لأن شبكة العسل المحددة والتفاعلات المغناطيسية قد تنتج حالات كمومية خاصة جدًا، وأكثرها إثارة للاهتمام هي السوائل المغزلية الكمومية.
في المواد المغناطيسية العادية، تميل سپينات عدد كبير من الذرات إلى ترتيب نفسها في النهاية وفقًا لقواعد معينة، مثل تكوين بنية مغناطيسية حديدية أو بنية مضادة للمغناطيسية الحديدية. لكن في السوائل الكمومية المغزلية، حتى لو انخفضت درجة الحرارة إلى مستويات منخفضة جدًا، فقد لا تكون السبينات قادرة على تشكيل نظام مغناطيسي طويل المدى بالمعنى التقليدي بسبب التقلبات الكمومية، ولكنها تحافظ على حالة ديناميكية شديدة التشابك.
لطالما كان هذا النوع من المواد موضوعًا مهمًا لأبحاث فيزياء الكم. من الناحية النظرية، قد تحتوي بعض السوائل الكمومية المغزلية على إثارات شبه جسيمية خاصة جدًا وخصائص طوبولوجية، وبالتالي تعتبر ذات صلة محتملة بالحوسبة الكمومية المستقبلية وأبحاث الأجهزة الكمومية الجديدة. ومع ذلك، لا يزال هذا النوع من المواد بعيدًا عن الاستخدام الفعلي في الحوسبة الكمومية.
في السابق، ركز عدد كبير من أبحاث مواد كيتايف على المركبات التي تحتوي على الروثينيوم والإيريديوم، لأن هذه العناصر يمكن أن توفر خصائص مثل اقتران مدار الدوران القوي المطلوب للبحث. ومع ذلك، يعتبر كل من الروثينيوم والإيريديوم عنصرين نادرين ومكلفين نسبيًا، مما يحد إلى حد ما من الإعداد على نطاق واسع ومواصلة استكشاف التطبيقات للمواد ذات الصلة.
ولهذا السبب يشكل الكوبالت مصدر قلق للباحثين. الكوبالت هو معدن انتقالي شائع نسبيًا وقد تم استخدامه على نطاق واسع في البطاريات والسبائك وتصنيع أشباه الموصلات وغيرها من المجالات. إن تكلفته وإمداداته عمومًا أكثر ملاءمة للاستخدام على نطاق واسع من الروثينيوم والإيريديوم. ويأمل فريق البحث في التحقق من سؤال رئيسي: ما إذا كان من الممكن تصنيع الكوبالت لتشكيل بنية قرص العسل مماثلة لتلك الموجودة في مادة كيتايف، وبالتالي الحصول على خصائص مغناطيسية ذات قيمة بحثية.
تظهر النتائج التجريبية أن هذه الفكرة قابلة للتنفيذ بالفعل. وجدت القياسات المغناطيسية أن المادة تظهر في حالة مغناطيسية حديدية بالقرب من حوالي 88 كلفن، أي حوالي 185 درجة مئوية تحت الصفر. تظهر الحسابات النظرية أن هذا السلوك المغناطيسي يرتبط ارتباطًا وثيقًا بترتيب ذرات الكوبالت في بنية قرص العسل المحلية لـ CoO₆.
وجدت الدراسة أيضًا أن المادة تظهر اقترانًا مضادًا للمغناطيسية الحديدية بين الطبقات، أي أنه على الرغم من أن البنية المحلية تظهر خصائص مغناطيسية تشبه المغناطيسية الحديدية، إلا أن اتجاهات التفاعلات المغناطيسية بين الطبقات المختلفة مختلفة. يعد هذا التفاعل المغناطيسي المعقد أساسًا مهمًا لدراسة المواد المغناطيسية الكمومية الجديدة.
ومع ذلك، أكد الباحثون بوضوح أيضًا أنه لا يوجد حاليًا أي دليل على أن هذه المادة القائمة على الكوبالت قد شكلت سائلًا كميًا مغزليًا. لذلك، ليس من الدقة أن نطلق على هذا الإنجاز اسم "اكتشاف سائل كمي مغزلي يمكن استخدامه في الحوسبة الكمومية". البيان الأكثر دقة في هذه المرحلة هو أن فريق البحث قد أنشأ منصة مادية جديدة ذات خصائص مغناطيسية من نوع Kitaev وتعتمد على عنصر الكوبالت الأكثر شيوعًا.
هناك أهمية أخرى مهمة لهذا العمل وهي أن الباحثين لم ينشئوا بالقوة بنية قرص العسل من خلال تقنية الترتيب الذري الاصطناعي المعقدة للغاية. بدلًا من ذلك، قاموا بدمج الكوبالت في NaSbO₃، الذي يحتوي بالفعل على شبكة قرص العسل، وسمحوا لذرات الكوبالت بتكوين بنية قرص العسل المحلية CoO₆ بمفردها.
وقال الباحثون إن قدرة هياكل قرص العسل الكوبالت هذه على التشكل بشكل طبيعي وإنتاج الإشارات المغناطيسية الواضحة التي تنبأت بها النظرية هي نتيجة مثيرة لهذا العمل. وهذا يعني أنه يمكن استخدام أفكار تصميم مادي مماثلة في المستقبل، من خلال اختيار مواد عادية ذات هياكل شبكية محددة كـ "قوالب" ثم إضافة عناصر مغناطيسية مناسبة لبناء مواد كمومية لا يمكنها الاعتماد إلا على عناصر نادرة في الماضي.
يعمل فريق البحث حاليًا على إجراء المزيد من التعديلات على بنية المادة واختبار خصائصها الكمومية بمزيد من التفصيل. تشمل الأسئلة المهمة في المرحلة التالية ما إذا كان من الممكن تعزيز التفاعلات المغناطيسية ذات الصلة والتحكم فيها، وما إذا كان يمكن للمادة الدخول إلى حالة كمومية أقرب إلى نموذج كيتايف النظري عن طريق تغيير التركيز والبنية البلورية واقتران الطبقات البينية للكوبالت.
لذلك، تنعكس أهمية هذا البحث بشكل مؤقت في مجالات علوم المواد الأساسية وأبحاث المغناطيسية الكمومية، بدلاً من الإنشاء الفوري لشريحة كمبيوتر كمومية جديدة. ما يقدمه حقًا هو طريق جديد لتصميم المواد: استخدام الكوبالت، المتوفر بكثرة نسبيًا في الاحتياطيات والتكلفة المنخفضة نسبيًا، لبناء هياكل مغناطيسية محلية خاصة في المواد الشبكية الموجودة على شكل قرص العسل، وبالتالي تقليل الاعتماد على العناصر النادرة مثل الروثينيوم والإيريديوم.
إذا تمكنت أبحاث المتابعة من إثبات أن هذا النظام القائم على الكوبالت يتمتع بتشابك كمي أقوى، أو إثارة طوبولوجية أو خصائص كمومية أخرى من نوع كيتايف، فقد يصبح منصة تجريبية مهمة لدراسة السوائل المغزلية الكمومية والمواد الكمومية الجديدة، وقد يوفر أيضًا اتجاهات جديدة للاستكشاف المستقبلي للمواد الكمومية التي يسهل تصنيعها على نطاق واسع.
التعليقات