کشف سومین شکل مغناطیس پس از یک قرن؛ جایزه فیزیک اروپا به کاشفان «آلتر‌مغناطیس» رسید

در اواخر اکتبر ۲۰۲۶، انجمن فیزیک اروپا (EPS) جایزه معتبر فیزیک اروپا را به سه فیزیک‌دان برجسته اهدا کرد. پروفسور جایرو سینووا، دکتر لیبور اشمیکال و پروفسور توماس یونگویرت، به دلیل کشف و اثبات وجود سومین دسته بنیادی از مواد مغناطیسی، این جایزه را دریافت کردند.[1][2]

این جایزه به پاس دستاوردی اهدا شد که یکی از قدیمی‌ترین و تثبیت‌شده‌ترین پارادایم‌های فیزیک ماده چگال را تغییر داد. برای بیش از یک قرن، دانشمندان تصور می‌کردند که تمام مواد مغناطیسی موجود در طبیعت تنها به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند.[2][5]

دسته اول، فرومغناطیس‌ها هستند که در زندگی روزمره با آن‌ها سروکار داریم. در این مواد، مانند آهنرباهای روی یخچال، گشتاورهای مغناطیسی اتم‌ها همگی در یک جهت قرار می‌گیرند. این هم‌راستایی باعث ایجاد یک میدان مغناطیسی خارجی قدرتمند می‌شود که می‌توانیم آن را حس کنیم.[3][5]

دسته دوم، آنتی‌فرومغناطیس‌ها نام دارند. در این مواد، اسپین الکترون‌های مجاور در جهت‌های کاملاً مخالف یکدیگر قرار می‌گیرند و اثر یکدیگر را خنثی می‌کنند. در نتیجه، این مواد هیچ میدان مغناطیسی خارجی از خود ساطع نمی‌کنند، اما خواندن اطلاعات از روی آن‌ها بسیار دشوار است.[3][5]

پدیده‌ای در مرز دو دنیای متضاد

آلتر‌مغناطیس (Altermagnetism) که اکنون به عنوان سومین شکل بنیادی مغناطیس شناخته می‌شود، ویژگی‌های این دو دنیای متضاد را با هم ترکیب کرده است. در این مواد، گشتاورهای مغناطیسی در سطح کلان یکدیگر را خنثی می‌کنند، بنابراین هیچ میدان مغناطیسی سرگردانی در اطراف ماده وجود ندارد.[1][4]

اما تفاوت اصلی در رفتار الکترون‌ها در مقیاس میکروسکوپی نهفته است. برخلاف آنتی‌فرومغناطیس‌های معمولی، الکترون‌ها در مواد آلتر‌مغناطیس یک «شکافت اسپینی» (Spin splitting) وابسته به جهت را تجربه می‌کنند. این یعنی بسته به مسیری که الکترون در شبکه بلوری طی می‌کند، اسپین آن قطبیده می‌شود.[4][5]

این رفتار دوگانه به دلیل تقارن‌های خاص در شبکه بلوری ماده رخ می‌دهد. اتم‌های غیرمغناطیسی موجود در ساختار بلور، الکترون‌هایی با اسپین‌های مخالف را مجبور می‌کنند تا مسیرهای فیزیکی متفاوتی را طی کنند. این پدیده به پژوهشگران اجازه می‌دهد تا جریان‌های اسپینی قدرتمندی تولید کنند.[4][7]

پروفسور جایرو سینووا، مدیر مرکز پدیده‌های اسپینی در دانشگاه ماینتس، درباره این کشف می‌گوید: «این جایزه، دستاوردی را به رسمیت می‌شناسد که یکی از تثبیت‌شده‌ترین الگوهای فیزیک ماده چگال را به چالش کشید. کشف یک فاز مغناطیسی پنهان پس از صد سال، نشان می‌دهد که علم هنوز شگفتی‌های زیادی دارد.»[1]

شواهد تجربی و تایید آزمایشگاهی

مفهوم آلتر‌مغناطیس ابتدا بین سال‌های ۲۰۱۹ تا ۲۰۲۲ توسط این تیم تحقیقاتی به صورت نظری پیش‌بینی شد. اما آنچه باعث شد این کشف در سال ۲۰۲۶ جایزه فیزیک اروپا را دریافت کند، شواهد تجربی و آزمایشگاهی غیرقابل انکاری بود که در ماه‌های اخیر به دست آمد.[3][6]

پژوهشگران با استفاده از تکنیک «طیف‌سنجی گسیل فوتوالکترون با تفکیک زاویه‌ای» (ARPES)، ساختار الکترونی موادی مانند Co1/4TaSe2 را بررسی کردند. آن‌ها توانستند انرژی و حرکت الکترون‌ها را با دقت بالا اندازه‌گیری کرده و شکافت اسپینی را به صورت مستقیم مشاهده کنند.[4][6]

این اندازه‌گیری‌ها نشان داد که شکافت اسپینی در این مواد می‌تواند تا ۰.۶ الکترون‌ولت (eV) در امتداد مسیرهای خاصی از تکانه الکترون برسد. این مقدار از انرژی، برای کنترل جریان‌های اسپینی در دمای اتاق و استفاده در قطعات الکترونیکی تجاری کاملاً ایده‌آل است.[4]

در آوریل ۲۰۲۶، محققان آزمایشگاه ملی اوک ریج (Oak Ridge) در ایالات متحده، شواهد کلیدی آلتر‌مغناطیس را در ماده‌ای به نام هماتیت (Hematite) نیز تایید کردند. هماتیت یک کانی فراوان، ارزان و پایدار از اکسید آهن است که کشف این خاصیت در آن، امیدها را برای تولید صنعتی افزایش داد.[3]

آینده قطعات الکترونیکی و کوانتومی

اهمیت این کشف فراتر از یک به‌روزرسانی در کتاب‌های درسی فیزیک است. در رایانه‌های امروزی، استفاده از مواد فرومغناطیس برای ذخیره اطلاعات با یک محدودیت فیزیکی روبرو است: میدان‌های مغناطیسی سرگردان باعث تداخل در بیت‌های مجاور می‌شوند و نمی‌توان آن‌ها را از حد مشخصی کوچکتر کرد.[1][5]

اما مواد آلتر‌مغناطیس هیچ میدان سرگردانی تولید نمی‌کنند. این ویژگی به مهندسان سخت‌افزار اجازه می‌دهد تا سلول‌های حافظه را با تراکم بسیار بالاتری در کنار یکدیگر قرار دهند، بدون آنکه نگران پاک شدن یا تداخل داده‌ها باشند. این یک گام بزرگ برای کوچک‌سازی قطعات است.[1][5]

علاوه بر این، دینامیک جریان اسپینی در آلتر‌مغناطیس‌ها بسیار سریع‌تر از مواد سنتی است. این مواد می‌توانند با سرعت‌های تراهرتز (THz) تغییر وضعیت دهند که هزاران بار سریع‌تر از محدودیت‌های فعلی پردازنده‌های مبتنی بر سیلیکون است.[1][2]

در نهایت، این مواد افق‌های جدیدی را در فیزیک کوانتوم باز کرده‌اند. پژوهشگران اکنون در حال بررسی چگونگی استفاده از آلتر‌مغناطیس‌ها برای ساخت سخت‌افزارهای ابررسانا و کیوبیت‌های پایدارتر هستند؛ پیشرفتی که می‌تواند سرعت توسعه رایانه‌های کوانتومی را به شکل چشمگیری افزایش دهد.[1][5]

تحولی در علم اسپین‌ترونیک

علم اسپین‌ترونیک (Spintronics) که به جای بار الکتریکی از ویژگی «اسپین» الکترون‌ها برای پردازش اطلاعات استفاده می‌کند، تاکنون به شدت به مواد فرومغناطیس وابسته بوده است. اما استفاده از این مواد نیازمند مصرف انرژی بالا و ایجاد میدان‌های مغناطیسی خارجی برای کنترل اسپین‌ها بود.[3][6]

آلتر‌مغناطیس‌ها این نیاز را به طور کامل برطرف می‌کنند. از آنجا که قطبیدگی اسپینی در این مواد به صورت ذاتی و از طریق تقارن‌های شبکه بلوری ایجاد می‌شود، نیازی به میدان‌های خارجی یا استفاده از عناصر سنگین با جفت‌شدگی قوی اسپین-مدار نیست.[4][7]

این استقلال از میدان‌های خارجی، مصرف انرژی را در قطعات الکترونیکی آینده به شدت کاهش می‌دهد. در دنیایی که مراکز داده و سرورهای هوش مصنوعی بخش عظیمی از انرژی جهانی را می‌بلعند، توسعه حافظه‌هایی که با کمترین اتلاف حرارتی کار می‌کنند، یک ضرورت حیاتی است.[1][5]

دکتر لیبور اشمیکال، یکی از برندگان این جایزه، در مقالات خود نشان داده است که چگونه می‌توان از این مواد برای ساخت حسگرهای مغناطیسی فوق‌حساس استفاده کرد. این حسگرها می‌توانند در تجهیزات پزشکی، ناوبری خودکار و حتی سیستم‌های ارتباطی پیشرفته به کار گرفته شوند.[1][2]

اکنون که جامعه علمی این فاز سوم مغناطیس را به رسمیت شناخته است، رقابت جهانی برای کشف ترکیبات جدید آلتر‌مغناطیس آغاز شده است. پایگاه‌های داده مواد در سراسر جهان در حال بررسی مجدد هزاران ترکیب شناخته‌شده هستند تا نشانه‌های پنهان این پدیده را در آن‌ها بیابند.[3][6]

با اهدای جایزه فیزیک اروپا در سال ۲۰۲۶، مسیر برای سرمایه‌گذاری‌های کلان در این حوزه هموارتر شده است. اگرچه هنوز تا تجاری‌سازی کامل این قطعات چند سال فاصله داریم، اما کشف آلتر‌مغناطیس نشان داد که طبیعت هنوز راه‌حل‌های شگفت‌انگیزی برای عبور از محدودیت‌های فناوری در آستین دارد.[1][2]