القفزات هي هياكل تدور مغناطيسية تم التنبؤ بها منذ عقود، وأصبحت موضوعًا بحثيًا ساخنًا وصعبًا في السنوات الأخيرة. في دراسة نشرت اليوم في مجلة Nature، يقدم تعاون بحثي في السويد وألمانيا والصين أدلة تجريبية لأول مرة.
قال فيليب ريباكوف، الباحث في قسم الفيزياء وعلم الفلك في جامعة أوبسالا في السويد: "نتائج بحثنا مهمة جدًا من المنظور الأساسي والتطبيقي، لأنها تبني جسرًا جديدًا بين الفيزياء التجريبية والنظرية الرياضية المجردة، مما يسمح باستخدام الهوفيونات في الإلكترونيات السبينية".
يعد الفهم العميق لوظائف المكونات المختلفة للمواد أمرًا مهمًا لتطوير مواد مبتكرة وتقنيات مستقبلية. على سبيل المثال، فتح مجال أبحاث الإلكترونيات السبينية، الذي يدرس دوران الإلكترونات، آفاقًا واسعة للجمع بين الخصائص الكهربائية والمغناطيسية للإلكترونات لتطبيقات في الإلكترونيات الجديدة وغيرها من المجالات.
إن القفزات والقفزات المغناطيسية عبارة عن هياكل طوبولوجية - تكوينات ميدانية جيدة التوجيه - كانت موضوع بحث شائع على مدار العقد الماضي بسبب خصائصها الفريدة الشبيهة بالجسيمات، مما يجعلها أهدافًا واعدة لتطبيقات الإلكترونيات السبينية. Skyrmions هي ثنائية الأبعاد وتشبه الأوتار الدوامة، في حين أن hopfions عبارة عن هياكل ثلاثية الأبعاد داخل حجم العينة المغناطيسية التي تشبه في أبسط الحالات أوتار Skyrmion الملتوية المغلقة على شكل كعكة دونات.
على الرغم من الأبحاث المكثفة في السنوات الأخيرة، لم يتم الإبلاغ عن الملاحظات المباشرة للذباب المغناطيسي إلا في المواد الاصطناعية. يعد العمل الحالي أول دليل تجريبي على تثبيت هذه الحالة في بلورات صفائح الحديد والجرمانيوم من النوع B20 باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ والتقنيات الثلاثية الأبعاد. النتائج التجريبية قابلة للتكرار بدرجة كبيرة ومتوافقة تمامًا مع عمليات المحاكاة الكهرومغناطيسية. يقدم الباحثون تصنيفًا متماثلًا موحدًا لـ skyrmion-hopfion ويقدمون نظرة ثاقبة حول تنوع السوليتونات الطوبولوجية في المغناطيس اللولبي ثلاثي الأبعاد.
تفتح هذه النتائج آفاقًا جديدة في الفيزياء التجريبية: تحديد البلورات الأخرى التي تستقر فيها الهوفيونات، ودراسة كيفية تفاعل الهوفيونات مع التيارات الكهربائية والتيارات الدورانية، وديناميكيات الهوفيونات، والمزيد.
"نظرًا لأن هذا الجسم جديد والعديد من خصائصه المثيرة للاهتمام لم يتم اكتشافها بعد، فمن الصعب إجراء تنبؤات حول تطبيقات محددة للإلكترونيات السبينية. ومع ذلك، يمكننا التكهن بأنه عندما تتم ترقية جميع تقنيات الرافعة المغناطيسية قيد التطوير إلى البعد الثالث، قد تكون القفزات الأكثر إثارة للاهتمام، وتشمل مجالات التطبيق: ذاكرة جدار المجال المغناطيسي، والحوسبة العصبية والكيوبت (الوحدة الأساسية للمعلومات الكمومية). "بالمقارنة مع Skyrmions، تتمتع القفزات hopfions بدرجات إضافية من الحرية بسبب أوضح ريباكوف: "إنها ثلاثية الأبعاد، وبالتالي يمكنها التحرك في ثلاثة أبعاد بدلاً من بعدين".