سبين آيس

الجليد المغزلي مادة مغناطيسية لا تمتلك حالة طاقة دنيا واحدة . يحتوي على عزوم مغناطيسية (أي "مغزل" ) كدرجات حرية أساسية تخضع لتفاعلات مُحبطة . بطبيعتها، تمنع هذه التفاعلات العزوم من إظهار نمط دوري في اتجاهها حتى درجة حرارة أقل بكثير من مستوى الطاقة الذي تحدده هذه التفاعلات. يُظهر الجليد المغزلي خصائص عند درجات الحرارة المنخفضة، وخاصة الإنتروبيا المتبقية ، والتي ترتبط ارتباطًا وثيقًا بخصائص جليد الماء البلوري الشائع . ^{[ 1 ]} أبرز المركبات التي تتمتع بهذه الخصائص هي تيتانات الديسبروسيوم ( Dy₂Ti₂O₇ ₎ وتيتانات الهولميوم (Ho₂Ti₂O₇ ₎ . يشبه اتجاه العزوم المغناطيسية في الجليد المغزلي التنظيم الموضعي _{لذرات الهيدروجين ( أو} بالأحرى، الهيدروجين المتأين، أو _{البروتونات )} في جليد الماء التقليدي (انظر الشكل 1).

وقد وجدت التجارب أدلة على وجود أقطاب مغناطيسية غير محصورة في هذه المواد، ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} بخصائص تشبه خصائص الأقطاب المغناطيسية الافتراضية المفترض وجودها في الفراغ.

في عام ١٩٣٥، لاحظ لينوس باولينغ أن ذرات الهيدروجين في جليد الماء من المتوقع أن تظل غير منتظمة حتى عند الصفر المطلق . أي أنه حتى عند التبريد إلى درجة حرارة الصفر ، من المتوقع أن يحتفظ جليد الماء بإنتروبيا متبقية ، أي عشوائية جوهرية. ويعود ذلك إلى أن البنية البلورية السداسية لجليد الماء الشائع تحتوي على ذرات أكسجين محاطة بأربع ذرات هيدروجين . في الجليد، لكل ذرة أكسجين، توجد ذرتان من ذرات الهيدروجين المجاورة لها (مكونة جزيء الماء _H₂O التقليدي )، وذرتان أخريان أبعد (ذرات الهيدروجين لجزيئين متجاورين من الماء). لاحظ باولينغ أن عدد التكوينات التي تتوافق مع قاعدة "ذرتان قريبتان، ذرتان بعيدتان" في الجليد ينمو أُسّيًا مع حجم النظام، وبالتالي، من المتوقع أن تكون إنتروبيا الجليد عند درجة حرارة الصفر واسعة النطاق . ^{[ 5 ]} تم تأكيد نتائج بولينج من خلال قياسات الحرارة النوعية ، على الرغم من أن بلورات جليد الماء النقية يصعب تكوينها بشكل خاص.

الجليد المغزلي مواد تتكون من رباعيات أوجه منتظمة مرتبطة بزواياها ، كل منها يمتلك عزمًا مغناطيسيًا غير صفري ، يُختصر غالبًا إلى " مغزلي ". يجب أن يُحقق هذا العزم، في حالته ذات الطاقة المنخفضة، قاعدة "اثنان للداخل، اثنان للخارج" على كل رباعي أوجه، مُشكلاً البنية البلورية (انظر الشكل 2). يُشابه هذا إلى حد كبير قاعدة "اثنان قريبان، اثنان بعيدان" في جليد الماء (انظر الشكل 1). وكما بيّن باولينغ أن قاعدة الجليد تؤدي إلى إنتروبيا كبيرة في جليد الماء، فإن قاعدة "اثنان للداخل، اثنان للخارج" تُؤدي إلى نفس النتيجة في أنظمة الجليد المغزلي - إذ تُظهر هذه الأنظمة نفس خصائص الإنتروبيا المتبقية لجليد الماء. ومع ذلك، وبحسب نوع مادة الجليد المغزلي، فإنه من الأسهل عمومًا تكوين بلورات مفردة كبيرة من مواد الجليد المغزلي مقارنةً ببلورات جليد الماء. بالإضافة إلى ذلك، فإن سهولة تحفيز تفاعل اللحظات المغناطيسية مع مجال مغناطيسي خارجي في نظام الجليد المغزلي تجعل الجليد المغزلي أكثر ملاءمة من الجليد المائي لاستكشاف كيفية تأثر الإنتروبيا المتبقية بالتأثيرات الخارجية.

على الرغم من أن فيليب أندرسون قد أشار في عام 1956 ^{[ 6 ]} إلى العلاقة بين مشكلة مضاد المغناطيسية إيزينغ المحبط على شبكة ( بيروكلور ) من رباعيات الأوجه المشتركة في الزوايا ومشكلة جليد الماء لباولينغ، إلا أن مواد الجليد المغزلي الحقيقية لم تُكتشف إلا بعد أربعين عامًا. _{[ 7] كانت أولى المواد التي تم تحديدها على أنها جليد مغزلي هي البيركلورات Dy₂Ti₂O₇} ^{( تيتانات الديسبروسيوم} ) و Ho₂Ti₂O₇ ( تيتانات الهولميوم ) _. بالإضافة إلى ذلك، تم الإبلاغ عن أدلة قوية على أن Dy₂Sn₂O₇ ( ستانات _{الديسبروسيوم ) و} Ho₂Sn₂O₇ ( _ستانات الهولميوم _{) هي} جليد مغزلي _. [ _{8 ]} تنتمي ^{هذه المركبات الأربعة} إلى عائلة أكاسيد البيركلور للعناصر الأرضية النادرة . يُظهر مركب CdEr ₂ Se ₄ ، وهو مركب من نوع الإسبينيل حيث تتواجد أيونات Er ³⁺ المغناطيسية على رباعيات الأوجه المرتبطة بالزوايا، سلوك الجليد المغزلي أيضًا. ^{[ 9 ]}

تتميز مواد الجليد المغزلي باضطراب عشوائي في اتجاه عزم الأيونات المغناطيسية ، حتى عند درجات حرارة منخفضة جدًا . وتُظهر قياسات الحساسية المغناطيسية للتيار المتردد أدلة على تجميد ديناميكي للعزوم المغناطيسية عند خفض درجة الحرارة قليلًا عن درجة الحرارة التي تبلغ عندها السعة الحرارية ذروتها. ولا تتوافق الذروة العريضة في السعة الحرارية مع انتقال طوري، بل تشير درجة الحرارة التي تحدث عندها الذروة، حوالي 1  كلفن في _{Dy₂Ti₂O₇} ، إلى تغير سريع في عدد رباعيات الأوجه حيث تُخالف قاعدة "اثنان للداخل، اثنان _للخارج " . وتُعد رباعيات الأوجه التي تُخالف فيها هذه القاعدة مواقع تتواجد فيها ^{الأقطاب} المغناطيسية الأحادية المذكورة آنفًا. رياضيًا، يمكن وصف تكوينات الجليد المغزلي بمسارات أويلرية مغلقة . ^[ ₁₀ ^{] [ 11 ]}

تُعدّ الجليديات المغزلية أنظمة مغناطيسية مُحبطة هندسيًا . في حين أن الإحباط يرتبط عادةً بترتيبات مثلثية أو رباعية الأوجه للعزوم المغناطيسية المقترنة عبر تفاعلات التبادل المضاد للمغناطيسية، كما هو الحال في نموذج إيزينغ لأندرسون، ^{[ 6 ]} فإن الجليديات المغزلية هي مغناطيسات حديدية مُحبطة. إن التباين المغناطيسي المحلي القوي جدًا الناتج عن المجال البلوري، والذي يُجبر العزوم المغناطيسية على التوجه إما داخل أو خارج رباعي الأوجه، هو ما يجعل التفاعلات المغناطيسية الحديدية مُحبطة في الجليديات المغزلية. والأهم من ذلك، أن تفاعل ثنائي القطب المغناطيسي الساكن بعيد المدى، وليس تبادل الجوار الأقرب، هو الذي يُسبب الإحباط وقاعدة "اثنان للداخل، اثنان للخارج" الناتجة عنه، والتي تؤدي إلى ظاهرة الجليديات المغزلية. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

في حالة رباعي الأوجه ذي اتجاهين للداخل والخارج، يكون مجال التمغنط خاليًا من التباعد ؛ إذ تتساوى شدة التمغنط الداخلة إلى رباعي الأوجه مع تلك الخارجة منه (انظر الشكل 3). في هذه الحالة الخالية من التباعد، لا يوجد مصدر أو مصب للمجال. ووفقًا لنظرية غاوس (المعروفة أيضًا بنظرية أوستروغرادسكي)، فإن التباعد غير الصفري للمجال ينتج عن عدد حقيقي يُسمى "الشحنة" ، ويمكن وصفه به . وفي سياق الجليد المغزلي، فإن هذه الشحنات التي تميز انتهاك قاعدة اتجاه العزم المغناطيسي ثنائي الاتجاه هي الأقطاب المغناطيسية المذكورة آنفًا. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}

في خريف عام ٢٠٠٩، أفاد باحثون برصد تجريبي لجزيئات شبهية منخفضة الطاقة تُشبه الأقطاب المغناطيسية المتوقعة في الجليد المغزلي. ^{[ ٢ ]} تم فحص بلورة أحادية من تيتانات الديسبروزيوم، المرشح ليكون جليدًا مغزليًا، في نطاق درجة حرارة يتراوح بين ٠.٦ و٢.٠  كلفن. وباستخدام تشتت النيوترونات ، تبين أن العزوم المغناطيسية تصطف في مادة الجليد المغزلي على شكل حزم أنبوبية متشابكة تُشبه أوتار ديراك . عند العيب المتكون في نهاية كل أنبوب، يبدو المجال المغناطيسي كمجال قطب مغناطيسي أحادي. وباستخدام مجال مغناطيسي خارجي، تمكن الباحثون من التحكم في كثافة هذه الأوتار واتجاهها. كما تم تقديم وصف للسعة الحرارية للمادة بدلالة غاز فعال من هذه الجزيئات الشبهية. ^{[ ١٤ ] [ ١٥ ]}

الشحنة الفعالة للقطب المغناطيسي الأحادي، Q (انظر الشكل 3 ) في كل من مركبات جليد الدوران من تيتانات الديسبروزيوم والهولميوم، تساوي تقريبًا Q =5 μ _B Å ⁻¹  ( مغنطونات بور لكل أنغستروم ). ^{[ 2 ]} المكونات المغناطيسية الأولية للجليد المغزلي هي ثنائيات أقطاب مغناطيسية، لذا فإن ظهور أحاديات الأقطاب هو مثال على ظاهرة التجزئة .

إن الأصل المجهري للعزوم المغناطيسية الذرية في المواد المغناطيسية هو ميكانيكا الكم؛ إذ يدخل ثابت بلانك صراحةً في المعادلة التي تحدد العزم المغناطيسي للإلكترون ، إلى جانب شحنته وكتلته. ومع ذلك، فإن العزوم المغناطيسية في مادتي جليد الدوران ، تيتانات الديسبروزيوم وتيتانات الهولميوم، تُوصف فعليًا بالميكانيكا الإحصائية الكلاسيكية ، وليس بالميكانيكا الإحصائية الكمية، ضمن نطاق درجة الحرارة ذي الصلة تجريبيًا والذي يمكن الوصول إليه بسهولة (بين 0.05 كلفن و2 كلفن) حيث تظهر ظواهر جليد الدوران. على الرغم من أن ضعف التأثيرات الكمية في هذين المركبين أمر غير معتاد، إلا أنه يُعتقد أنه مفهوم. ^{[ 16 ]} يوجد اهتمام حالي بالبحث عن جليد الدوران الكمي، ^{[ 17 ]} وهي مواد تصبح فيها قوانين ميكانيكا الكم ضرورية لوصف سلوك العزوم المغناطيسية. يتطلب توليد جليد الدوران الكمومي وجود أيونات مغناطيسية أخرى غير الديسبروسيوم (Dy) والهولميوم (Ho)، حيث يُعد البراسيوديميوم (Pr) والتيربيوم (Tb) والإيتربيوم (Yb) من بين المرشحين المحتملين. ^{[ 17 ] [ 18 ]} أحد أسباب الاهتمام بجليد الدوران الكمومي هو الاعتقاد بأن هذه الأنظمة قد تحتوي على سائل دوران كمومي ، ^{[ 19 ]} وهي حالة من المادة تستمر فيها العزوم المغناطيسية بالتذبذب (التقلب) حتى درجة الصفر المطلق. وتشبه النظرية ^{[ 20 ]} التي تصف خصائص جليد الدوران الكمومي عند درجات الحرارة المنخفضة والطاقة المنخفضة نظرية الديناميكا الكهربائية الكمومية الفراغية ، أو QED. وهذا يُعد مثالاً على فكرة الظهور . ^{[ 21 ]}  

الجليد المغزلي الاصطناعي عبارة عن مواد فائقة تتكون من مغانط نانوية متصلة مرتبة على شبكات دورية وغير دورية. ^{[ 22 ]} وقد مكّنت هذه الأنظمة من إجراء دراسات تجريبية لمجموعة متنوعة من الظواهر، مثل الإحباط المغناطيسي، والأقطاب المغناطيسية الأحادية الناشئة، والتحولات الطورية. إضافةً إلى ذلك، يُظهر الجليد المغزلي الاصطناعي إمكانات واعدة كبلورات مغناطيسية قابلة لإعادة البرمجة، وقد دُرست ديناميكياته السريعة. وقد تم استكشاف مجموعة متنوعة من الأشكال الهندسية، بما في ذلك الأنظمة شبه البلورية والهياكل ثلاثية الأبعاد، فضلاً عن مواد مغناطيسية مختلفة لتعديل الخواص المغناطيسية المتباينة ودرجات حرارة الحجب.

على سبيل المثال، تُشكّل المركبات المغناطيسية البوليمرية، التي تتألف من شبكات ثنائية الأبعاد من قطرات مادة تغيير الطور الصلبة-السائلة، حيث تحتوي كل قطرة على جسيم ثنائي القطب مغناطيسي واحد، جليدًا مغناطيسيًا اصطناعيًا فوق درجة انصهار القطرة، وبعد التبريد، حالة زجاج مغناطيسي ذات مغناطيسية متبقية منخفضة. وقد لوحظ ظهور دوامات مغناطيسية ثنائية الأبعاد تلقائيًا في مثل هذه الجليدات المغناطيسية، حيث ارتبطت هندسة هذه الدوامات بالمغناطيسية المتبقية الخارجية. ^{[ 23 ]}

تشمل الأعمال المستقبلية في هذا المجال تطوير أساليب التصنيع والتحليل، واستكشاف أشكال هندسية جديدة وتركيبات مواد مختلفة، وتطبيقات محتملة في الحوسبة، ^{[ 24 ]} وتخزين البيانات، ودوائر الميكروويف القابلة لإعادة التشكيل. ^{[ 25 ]} في عام 2021، أظهرت دراسة إمكانية الحوسبة الخزنية العصبية باستخدام جليد الدوران الاصطناعي، حيث تمكنت من حل مجموعة من المهام الحسابية باستخدام الديناميكيات المغناطيسية المعقدة لهذا الجليد. ^{[ 26 ]} وفي عام 2022، حققت دراسة أخرى جليد دوران كاغومي اصطناعي ، والذي يُحتمل استخدامه مستقبلًا في أجهزة كمبيوتر جديدة عالية السرعة ومنخفضة استهلاك الطاقة. ^{[ 27 ]}

• ثابت الجليد المربع لليب
• الزجاج الدوار
• أحادي القطب المغناطيسي
• المغناطيسية