کشف حالت مغناطیسی شبه‌کریستال مایع در ترکیب ایتربیوم
در برخی مواد، خواص فیزیکی نه از رفتار ذرات منفرد، بلکه از برهم‌کنش و رفتار جمعی اسپین‌های کوانتومی ناشی می‌شوند. اکنون پژوهشگران به سرپرستی پنگ‌چنگ دای (Pengcheng Dai) از دانشگاه رایس آمریکا دریافته‌اند که اسپین‌ها در ترکیبی حاوی عنصر خاکی کمیاب ایتربیوم می‌توانند رفتاری مشابه مولکول‌های کریستال مایع داشته باشند؛ به این معنا که جهت‌گیری ترجیحی دارند، اما برای ایجاد مغناطیس در مقیاس بزرگ در یک راستا منظم نمی‌شوند.
حالت میانی بین بی‌نظمی و نظم مغناطیسی
اسپین یکی از ویژگی‌های کوانتومی ذراتی مانند الکترون‌هاست که می‌توان آن را به آهنرباهای بسیار کوچکی با جهت‌گیری مشخص تشبیه کرد. برهم‌کنش میان اسپین‌ها می‌تواند بر نحوه انتقال الکتریسیته و گرما در یک ماده تأثیر بگذارد.
در آهنرباهای معمولی، اسپین‌ها در یک آرایش منظم قرار می‌گیرند و مغناطش کلی ایجاد می‌کنند. با افزایش دما به بالاتر از حد مشخصی، این نظم از بین می‌رود و اسپین‌ها جهت‌گیری‌های نامنظمی پیدا می‌کنند.
بااین‌حال، مطالعات پیشین نشان داده‌اند که برخی ترکیبات مغناطیسی ممکن است در حالتی میانی به نام حالت نماتیک اسپینی (Spin Nematic) قرار بگیرند. در این حالت، مشابه مولکول‌های میله‌ای‌شکل در کریستال‌های مایع، اسپین‌ها جهت‌گیری ترجیحی دارند، اما نظم مغناطیسی متعارف تشکیل نمی‌شود.
بررسی تغییر جهت‌گیری اسپین‌ها در ترکیب YbMnBi₂
گروه پژوهشی دای بررسی کرد که آیا حالت نماتیک اسپینی می‌تواند در ترکیب YbMnBi₂، متشکل از ایتربیوم، منگنز و بیسموت، وجود داشته باشد یا خیر.
در این ترکیب، هنگامی که میدان مغناطیسی اعمال می‌شود، جریان‌های الکتریکی و گرمایی بیش از حد انتظار به‌صورت جانبی منحرف می‌شوند. این رفتار حتی در دماهایی مشاهده می‌شود که نظم مغناطیسی ماده از بین رفته است و تاکنون توضیح قانع‌کننده‌ای برای آن ارائه نشده بود.
برای بررسی این پدیده، پژوهشگران پرتوهای نوترونی را به بلورهای YbMnBi₂ و ترکیبی مشابه که در آن کلسیم جایگزین ایتربیوم شده بود، تاباندند.
ازآنجاکه نوترون‌ها نیز اسپین دارند، پژوهشگران توانستند جهت‌گیری آن‌ها را کنترل کرده و نحوه پراکندگی نوترون‌ها از اسپین‌های داخل بلورها را اندازه‌گیری کنند. به این ترتیب، تغییرات اسپین‌ها در جهت‌های مختلف، در دماها و شدت‌های متفاوت میدان مغناطیسی بررسی شد.
نتایج نشان داد که با سرد کردن ترکیب حاوی ایتربیوم از دمای ۴۵۰ کلوین، در حدود ۴۰۰ کلوین، معادل تقریباً ۱۲۷ درجه سانتی‌گراد، اسپین‌های منگنز در برخی جهت‌ها نوسانات بیشتری پیدا می‌کنند. این تغییر درحالی رخ می‌دهد که ماده هنوز به دمای حدود ۲۹۰ کلوین، معادل تقریباً ۱۷ درجه سانتی‌گراد، نرسیده است؛ دمایی که در آن نظم مغناطیسی شکل می‌گیرد.
در ترکیب حاوی کلسیم، چنین اثری مشاهده نشد. این تفاوت شواهد مهمی در تأیید وجود حالت نماتیک اسپینی نوسانی در YbMnBi₂ فراهم کرد.
نقش ایتربیوم در رفتار مغناطیسی غیرعادی
بر اساس این یافته‌ها، پژوهشگران پیشنهاد می‌کنند که اتم‌های سنگین ایتربیوم باعث ارتباط نزدیک میان حرکت الکترون‌ها و اسپین آن‌ها می‌شوند. در حضور میدان مغناطیسی، اسپین‌های خود اتم‌های ایتربیوم می‌توانند با این حالت برهم‌کنش کنند و آرایش پیچیده‌ای از اسپین‌ها به وجود آورند که مسیر حرکت الکترون‌ها را منحرف می‌کند.
این سازوکار می‌تواند رفتار غیرعادی ترکیب YbMnBi₂ را توضیح دهد و مسیر بررسی اثرهای مشابه در مواد دیگر را هموار کند.
نتیجه‌گیری
شناسایی حالت نماتیک اسپینی در ترکیب YbMnBi₂ می‌تواند به درک بهتر رفتارهای مغناطیسی غیرمتعارف در مواد کوانتومی کمک کند. از سوی دیگر، مشاهده این اثر بدون وجود نظم مغناطیسی و در دماهای نزدیک به دمای اتاق، اهمیت بالقوه‌ای برای توسعه فناوری اسپینترونیک دارد؛ فناوری‌ای که به‌جای تکیه صرف بر بار الکتریکی، از اسپین برای انتقال اطلاعات استفاده می‌کند.
