در دنیای علم مواد، ارتباط بین ساختار فیزیکی یک ماده و رفتار مغناطیسی آن اغلب یک خیابان یکطرفه در نظر گرفته میشود: چینش اتمها (شبکه بلوری) ویژگیهای مغناطیسی را تعیین میکند. با این حال، تحقیقات جدید از یک رقص بسیار پیچیدهتر و متقابل پردهبرداری میکند. دانشمندان با مطالعه آهنربای کوانتومی (C₅H₉NH₃)₂CuBr₄ شواهد قانعکنندهای از یک تعامل دوطرفه یافتهاند، جایی که نیروهای مغناطیسی میتوانند مستقیماً بر نوسانات فیزیکی ماده تأثیر گذاشته و آن را تغییر دهند.
تیمی به رهبری جی. فیلیپ و همکارانش، با استفاده از تکنیکی به نام طیفسنجی نوترونی با وضوح بالا بر روی کریستالهای بزرگ و ویژهای که آماده کرده بودند، توانستند تعامل بین مغناطیس و دینامیک شبکه را با جزئیاتی بیسابقه مشاهده کنند. آنها کشف کردند که با سرد شدن ماده و تقویت همبستگیهای مغناطیسی داخلی آن، فرکانس یک مُد نوسانی (فونون) کمانرژی و خاص، به طور قابل توجهی تغییر میکند. این یک نمایش مستقیم از این واقعیت است که سیستم اسپینی—رفتار جمعی اسپینهای الکترون—فعالانه در حال «نرم کردن» شبکه بلوری است؛ پدیدهای که به ندرت با چنین وضوحی مشاهده میشود.
این پژوهش پیشگامانه نه تنها دریچهای نادر به روی سیستمی میگشاید که در آن مغناطیس و دینامیک شبکه به طور تنگاتنگی با هم جفت شدهاند، بلکه یک «ساختار اسپینی دو-نردبانی» را که به صورت نظری پیشبینی شده بود، در این ماده تأیید میکند. پژوهشگران با جداسازی دقیق سیگنالهای مربوط به زیرسیستمهای اسپینی و شبکهای، دو شکاف انرژی مغناطیسی متمایز را شناسایی کردند. تفاوت بین این شکافها کاملاً با اعوجاجهای ساختاری مطابقت داشت و به آنها اجازه داد تا تعاملات مغناطیسی را برای هر «نردبان» در ساختار به دقت ترسیم کنند.
این مطالعه بر اهمیت موادی که از نظر ساختاری «نرم» هستند، مانند این چارچوب فلزی-آلی، تأکید میکند. کشف یک مُد فونونی بسیار موضعی که به حلقههای آلی سیکلوپنتیلآمونیوم مرتبط است و به نظم مغناطیسی حساسیت نشان میدهد، مسیرهای جدیدی را برای کاوش در زمینه «مگنتوفونونیک»—جفتشدگی بین برانگیختگیهای مغناطیسی و نوسانی—باز میکند. این درک عمیقتر میتواند راه را برای طراحی مواد کوانتومی جدید هموار کند که در آنها این ویژگیها برای فناوریهای آینده قابل تنظیم و کنترل باشند.
این مجموعه کار، پیشرفت قابل توجهی در درک ما از مغناطیس در ابعاد پایین به شمار میرود و نشان میدهد که چگونه تکنیکهای پیشرفته تجربی به رمزگشایی از رفتارهای پیچیده و شگفتانگیز پنهان در مواد کوانتومی ادامه میدهند.
اطلاعات بیشتر در منبع اصلی: