قد تكون أقواس فيرمي المكتشفة حديثاً والتي يمكن التحكم فيها من خلال المغناطيسية، هي مستقبل الإلكترونات القائمة على حركة الإلكترون المغزلية. في مجال الموصلية الفائقة غير التقليدية، يعتبر قوس فيرمي ظاهرة مرئية في حالة الخيط الوهمي للموصل الفائق. تظهر أقواس فيرمي أيضاً في بعض المواد ذات الخصائص الطوبولوجية، حيث تمثل إسقاطاً سطحياً لمحيط فيرمي ثنائي الأبعاد وتنتهي على شكل نتوءات عقد على السطح.
تم اكتشاف أقواس فيرمي الجديدة هذه من قبل فريق من الباحثين من مختبر إيمز وجامعة ولاية أيوا، بالإضافة إلى متعاونين من الولايات المتحدة وألمانيا والمملكة المتحدة. أثناء بحثهم في الأرض النادرة أحادية النيكوتايد NdBi (النيوديميوم-البزموت)، اكتشف فريق البحث نوعاً جديداً من أقواس فيرمي ظهر في درجات حرارة منخفضة عندما أصبحت المادة مضادة للمغناطيسية، أي أن الدورات المجاورة كانت تتم في اتجاهين متعاكسين.
إن أسطح فيرمي في المعادن هي الحدود بين حالات الطاقة التي تشغلها الإلكترونات وتلك التي لا تشغلها. عادةً ما تكون أسطح فيرمي عبارة عن خطوط منحنية مغلقة ترسم أشكالاً مثل الكرات والأشكال البيضوية وما إلى ذلك. تتحكم الإلكترونات الموجودة على سطح فيرمي في العديد من خصائص المواد مثل التوصيل الكهربائي والحراري والخصائص البصرية وما إلى ذلك. وفي حالات نادرة للغاية، يحتوي سطح فيرمي على أجزاء منفصلة تُعرف باسم أقواس فيرمي وغالباً ما ترتبط بحالات غريبة مثل الموصلية الفائقة.
تشرح لنا الصورة المرفقة من جهة اليسار: تقدم مرئي لانقسام النطاق المغناطيسي مع انخفاض درجة الحرارة. أما إلى اليمين فيُظهر الرسم البياني العلوي سلوك الانقسام المعروف للنوعين المعروفين اللذين يطلق عليهما العلماء اسم: زيمان وراشبا. أما الجزء السفلي فيُظهر سلوك تقسيم النطاق الملحوظ حديثاً.
أوضح آدم كامينسكي، رئيس فريق البحث، أن أقواس فيرمي المكتشفة حديثاً، هي نتيجة انقسام نطاق الإلكترون، والذي ينتج عن الترتيب المغناطيسي للذرات Nd التي تشكل 50% من العينة. ومع ذلك، فإن انقسام الإلكترون الذي لاحظه الفريق في NdBi لم يكن سلوكاً أنموذجياً لتقسيم النطاق.
هناك نوعان معترف بهما من تقسيم النطاق، يطلق عليهما العلماء اسم: زيمان وراشبا. في كلتا الحالتين، تحتفظ العصابات بشكلها الأصلي بعد الانقسام. نتج عن انقسام الشريط الذي لاحظه فريق البحث شريطين من أشكال مختلفة. ولكن مع انخفاض درجة حرارة العينة، زاد الفصل بين هذه العصابات وتغيرت أشكال الشريط، ما يشير إلى حدوث تغيير في كتلة الفرميون.
قال كامينسكي: هذا الانقسام غير معتاد على الإطلاق، لأنه لا يقتصر على زيادة الفصل بين تلك النطاقات فحسب، بل إنه يغير أيضاً الانحناء. هذا يختلف تماماً عن أي شيء آخر لاحظه العلماء حتى الآن.
تستمر الحالات المعروفة سابقاً لأقواس فيرمي في أشباه معادن ويل، لأنها ناتجة عن التركيب البلوري للمادة التي يصعب التحكم فيها. ومع ذلك، فإن أقواس فيرمي التي اكتشفها الفريق في NdBi ناتجة عن الترتيب المغناطيسي لذرات Nd في العينة. يمكن تغيير هذا الترتيب بسهولة عن طريق تطبيق مجال مغناطيسي، وربما عن طريق تغيير أيون Nd لأيون أرضي نادر آخر مثل. نظراً لأن مختبر إيمز يعتبر مختبراً رائداً على المستوى العالمي في أبحاث الأرض النادرة، ولهذا سوف يتمكن المختبر من استكشاف هذه التغييرات في التركيب بسهولة.
يظهر هذا النوع الجديد من أقواس فيرمي كلما أصبحت العينة مضادة للمغنطيسية. قال كامينسكي: لذلك عندما تطور العينة ترتيباً مغناطيسياً معيناً، تظهر هذه الأقواس على ما يبدو من العدم.
وفقاً لكامينسكي، هناك سمة مهمة أخرى لأقواس فيرمي الجديدة هذه، وهي أنها تحتوي على ما يسمى نسيج الدوران. في المعادن العادية، كل حالة إلكترونية يشغلها إلكترونان، أحدهما يدور إلى أعلى، والآخر يدور إلى أسفل، لذلك لا يوجد لف صافٍ. تمتلك أقواس فيرمي المكتشفة حديثاً اتجاهاً واحداً للدوران عند كل نقطة من نقاطها. نظراً لأنها موجودة فقط في حالة مرتبة مغناطيسياً، يمكن تشغيل الأقواس وإيقافها بسرعة كبيرة عن طريق تطبيق نبضة مغناطيسية محددة، على سبيل المثال من ليزر فائق السرعة.
إن وجود مثل هذا الزخرفة الدورانية أو الحركة المغزلية للإلكترونات أو نسيج الدوران مهم، لأن أحد المهام في الإلكترونيات هو الابتعاد عن الإلكترونيات القائمة على الشحن. قال كامينسكي مضيفاً: كل ما تستخدمه الآن يعتمد على تحريك الإلكترونات في الأسلاك، وهذا يسبب التبديد في جزء من طاقة الإلكترونات.
ترتبط القدرة على التحكم في دوران الإلكترونات بفرع جديد من تكنولوجيا المعلومات يسمى spintronics، والذي يعتمد على دوران الإلكترون بحركة مغزلية بدلاً من تحريك الشحنات على طول الأسلاك.
أوضح كامينسكي: بدلاً من تحريك الشحنة، إما أن نقلب اتجاه الدوران أو نتسبب في انتشاره على طول السلك. من الناحية الفنية، لا ينبغي أن تؤدي هذه التغييرات في الدوران إلى تبديد الطاقة، لذلك فإن هذا الاكتشاف قد يساعد على توفير هائل في الطاقة اللازمة والمستخدمة في تخزين المعلومات أو نقلها باستخدام الحركة الدورانية.
أكد كامينسكي على أهمية هذه النتائج في المجال، لكنه قال إنه لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به قبل استخدام هذه النتائج في التكنولوجيا الجديدة.
تم دعم نمو البلورات وتوصيفها من قبل مركز النهوض بالمعادن الطوبولوجية (CATS)، وهو مركز أبحاث حدود الطاقة بتمويل من وزارة الطاقة الأمريكية، مكتب علوم الطاقة الأساسية.
مختبر إيمز هو المختبر الوطني التابع لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية والذي تديره جامعة ولاية آيوا. يبتكر مختبر إيمز مواد وتقنيات وحلول طاقة مبتكرة. مختبر إيمز مدعوم من مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية. مكتب العلوم هو أكبر داعم للبحوث الأساسية في العلوم الفيزيائية في الولايات المتحدة، ويعمل على معالجة بعض التحديات الأكثر إلحاحاً في عصرنا.
----