علماء يكتشفون شكلاً ثالثاً جديداً للمغناطيسية قد يكون "الحلقة المفقودة" في البحث عن الموصلية الفائقة

تمكن باحثون من الحصول على أول دليل قاطع على وجود فئة ثالثة من المغناطيسية، تسمى المغناطيسية البديلة. وقد تؤدي نتائجهم، التي نشرت في الحادي عشر من ديسمبر/كانون الأول في مجلة نيتشر، إلى إحداث ثورة في تصميم أجهزة الذاكرة المغناطيسية عالية السرعة الجديدة وتوفير قطعة اللغز المفقودة في تطوير مواد فائقة التوصيل أفضل.

قال أوليفر أمين، مؤلف الدراسة والباحث في مرحلة ما بعد الدكتوراه في جامعة نوتنغهام في المملكة المتحدة، لموقع لايف ساينس: "لقد كان لدينا في السابق نوعان راسخان من المغناطيسية. المغناطيسية الحديدية، حيث تشير العزوم المغناطيسية، والتي يمكنك تصورها مثل أسهم البوصلة الصغيرة على المقياس الذري، إلى نفس الاتجاه. والمغناطيسية المضادة الحديدية، حيث تشير العزوم المغناطيسية المجاورة في اتجاهات متعاكسة – يمكنك تصور ذلك على أنه رقعة شطرنج من البلاط الأبيض والأسود المتناوبين".

تم طرح هذه النظرية لأول مرة في عام 2022، ولها بنية تقع في مكان ما بينهما. يشير كل عزم مغناطيسي فردي إلى الاتجاه المعاكس لجاره، كما هو الحال في المواد المضادة للحديد المغناطيسي. لكن كل وحدة ملتوية قليلاً بالنسبة للذرة المغناطيسية المجاورة، مما ينتج عنه بعض الخصائص المشابهة للحديد المغناطيسي.

وبالتالي، تجمع المواد المغناطيسية البديلة بين أفضل خصائص كل من المواد المغناطيسية الحديدية والمواد المغناطيسية المضادة للحديد. وقال ألفريد دال دين، أحد المشاركين في الدراسة، وهو طالب دكتوراه في جامعة نوتنغهام أيضًا، لموقع لايف ساينس: "تكمن فائدة المواد المغناطيسية الحديدية في أنها تتيح لنا طريقة سهلة لقراءة وكتابة الذاكرة باستخدام هذه المجالات العلوية والسفلية. ولكن لأن هذه المواد تتمتع بمغناطيسية صافية، فمن السهل أيضًا فقدان هذه المعلومات عن طريق مسحها بمغناطيس".

وعلى العكس من ذلك، فإن المواد المضادة للحديد المغناطيسي أكثر صعوبة في التعامل معها لتخزين المعلومات. ولكن نظرًا لأنها تتمتع بمغناطيسية صفرية صافية، فإن المعلومات الموجودة في هذه المواد أكثر أمانًا وأسرع في النقل. وقال دال دين: "تتمتع المواد المغناطيسية البديلة بسرعة ومرونة المواد المضادة للحديد المغناطيسي، ولكنها تتمتع أيضًا بهذه الخاصية المهمة للحديد المغناطيسي والتي تسمى كسر تناظر عكس الزمن".

وتنظر هذه الخاصية المذهلة إلى تناسق الأجسام المتحركة للأمام والخلف في الزمن. ويقول أمين: "على سبيل المثال، تطير جزيئات الغاز حول بعضها البعض، فتتصادم عشوائيًا وتملأ الفضاء. وإذا قمت بإعادة الزمن إلى الوراء، فلن يبدو هذا السلوك مختلفًا".

وهذا يعني أن التناظر محفوظ. ومع ذلك، لأن الإلكترونات تمتلك دورانًا كميًا وعزمًا مغناطيسيًا، فإن عكس الوقت – وبالتالي اتجاه السفر – يقلب الدوران، مما يعني كسر التناظر. وأوضح أمين: "إذا نظرت إلى هذين النظامين الإلكترونيين – أحدهما حيث يتقدم الوقت بشكل طبيعي والآخر حيث تكون في وضع الرجوع للخلف – فإنهما يبدوان مختلفين، وبالتالي فإن التناظر مكسور. وهذا يسمح بوجود ظواهر كهربائية معينة".

العثور على "الحلقة المفقودة" في الموصلية الفائقة

استخدم الفريق – بقيادة بيتر وادلي، أستاذ الفيزياء في جامعة نوتنغهام – تقنية تسمى المجهر الإلكتروني للانبعاث الضوئي لتصوير بنية وخصائص مغناطيسية لتيلوريد المنغنيز، وهي مادة كان يُعتقد سابقًا أنها مضادة للمغناطيسية.

وقال أمين "إن جوانب مختلفة من المغناطيسية تصبح مضاءة اعتمادًا على استقطاب الأشعة السينية التي نختارها". كشف الضوء المستقطب دائريًا عن المجالات المغناطيسية المختلفة التي تم إنشاؤها بواسطة كسر تناظر الانعكاس الزمني، في حين سمحت الأشعة السينية المستقطبة أفقيًا أو رأسيًا للفريق بقياس اتجاه اللحظات المغناطيسية في جميع أنحاء المادة. من خلال الجمع بين نتائج كلتا التجربتين، أنشأ الباحثون أول خريطة على الإطلاق للمجالات والهياكل المغناطيسية المختلفة داخل مادة مغناطيسية بديلة.

وبعد إثبات هذا المفهوم، قام الفريق بتصنيع سلسلة من الأجهزة المغناطيسية البديلة من خلال التلاعب بالهياكل المغناطيسية الداخلية من خلال تقنية الدورة الحرارية المتحكم فيها.

قال أمين: "لقد تمكنا من تشكيل هذه القوام الدوامي الغريب في كل من الأجهزة السداسية والمثلثة. وتكتسب هذه الدوامات المزيد والمزيد من الاهتمام في مجال الإلكترونيات الدورانية باعتبارها حاملات محتملة للمعلومات، لذا كان هذا مثالاً أوليًا رائعًا لكيفية إنشاء جهاز عملي".

وقال مؤلفو الدراسة إن القدرة على تصوير هذا الشكل الجديد من المغناطيسية والتحكم فيه يمكن أن تحدث ثورة في تصميم أجهزة الذاكرة من الجيل التالي، مع زيادة سرعات التشغيل وتعزيز المرونة وسهولة الاستخدام.

وقال دال دين: "إن المغناطيسية البديلة سوف تساعد أيضاً في تطوير الموصلية الفائقة. فمنذ فترة طويلة، كانت هناك فجوة في التماثلات بين هاتين المنطقتين، وهذه الفئة من المواد المغناطيسية التي ظلت بعيدة المنال حتى الآن تبين أنها الحلقة المفقودة في اللغز".

تابعونا على أخبار جوجل