الحالة المغناطيسية الجديدة للمادة طال البحث عنها منذ ما يقرب من 60 عامًا.

اكتشف العلماء في مختبر Brookhaven الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية حالة مغناطيسية متوقعة منذ زمن طويل للمادة تسمى “عازل إكسيتونيك مضاد للمغناطيسية”.
قال مارك دين ، الفيزيائي في مختبر Brookhaven Lab ، وكبير مؤلفي ورقة تصف البحث الذي نُشر للتو في Nature Communications ، “بشكل عام ، أن هذا نوع جديد من المغناطيس” . “نظرًا لأن المواد المغناطيسية تكمن في صميم الكثير من التقنيات من حولنا، فإن الأنواع الجديدة من المغناطيسات رائعة بشكل أساسي وواعدة للتطبيقات المستقبلية.”
تتضمن الحالة المغناطيسية الجديدة للمادة تجاذبًا مغناطيسيًا قويًا بين الإلكترونات في مادة ذات طبقات تجعل الإلكترونات ترغب في ترتيب لحظاتها المغناطيسية، أو “تدور”، في نمط “مضاد مغناطيسي” منتظم من الأعلى إلى الأسفل.

تاريخ الحالة المغناطيسية الجديدة للمادة

تم التنبؤ لأول مرة بفكرة أن مثل هذه المغناطيسية المضادة عن طريق اقتران إلكترون ملتوي في مادة عازلة في الستينيات عندما اكتشف الفيزيائيون الخصائص المختلفة للمعادن وأشباه الموصلات والعوازل.استخدم الباحثون الأشعة السينية لقياس كيفية تحرك السبينات (الأسهم الزرقاء) عندما يكونون مضطربين وكانوا قادرين على إظهار أنها تتأرجح في الطول في النمط الموضح أعلاه. يحدث هذا السلوك الخاص لأن كمية الشحنة الكهربائية في كل موقع (تظهر على شكل أقراص صفراء) يمكن أن تختلف أيضًا وهي بصمة الإصبع المستخدمة لتحديد السلوك الجديد.
قال دانيال مازون ، الفيزيائي السابق لمختبر بروكهافن الذي قاد الدراسة وهو الآن في معهد بول شيرير في سويسرا: “منذ ستين عامًا ، كان الفيزيائيون قد بدأوا للتو في النظر في كيفية تطبيق قواعد ميكانيكا الكم على الخصائص الإلكترونية للمواد”. “كانوا يحاولون معرفة ما يحدث عندما تجعل” فجوة الطاقة “الإلكترونية بين العازل والموصل أصغر وأصغر. هل تقوم فقط بتغيير عازل بسيط إلى معدن بسيط حيث يمكن للإلكترونات أن تتحرك بحرية، أم يحدث شيء أكثر إثارة للاهتمام؟ ”
كان التوقع أنه في ظل ظروف معينة، يمكنك الحصول على شيء أكثر إثارة للاهتمام: وهو “عازل الإثارة المغناطيسي المضاد” الذي اكتشفه للتو فريق Brookhaven.
لماذا هذه المادة غريبة جدا وممتعة؟ لفهم ذلك، دعنا نتعمق في هذه المصطلحات ونستكشفها.

كيف تتشكل الحالة المغناطيسية الجديدة للمادة

في المغناطيس المغناطيسي المضاد، يكون للإلكترونات الموجودة على الذرات المجاورة محاور استقطاب مغناطيسي (تدور) في اتجاهات متناوبة: لأعلى ولأسفل ولأعلى ولأسفل وما إلى ذلك. على مقياس المادة بأكملها، تلغي هذه الاتجاهات المغناطيسية الداخلية المتناوبة بعضها البعض، مما يؤدي إلى عدم وجود مغناطيسية صافية للمادة الكلية. يمكن تبديل هذه المواد بسرعة بين الحالات المختلفة. كما أنها تقاوم فقدان المعلومات بسبب التداخل من المجالات المغناطيسية الخارجية. هذه الخصائص تجعل المواد المضادة للمغناطيسية جذابة لتقنيات الاتصال الحديثة.
تنشأ الإكسايتونات excitonic عندما تسمح ظروف معينة للإلكترونات بالتحرك والتفاعل بقوة مع بعضها البعض لتشكيل حالات مرتبطة. يمكن للإلكترونات أيضًا تكوين حالات مرتبطة بـ “الثقوب”، وهي الشواغر التي تُترك عندما تقفز الإلكترونات إلى موضع مختلف أو مستوى طاقة مختلف في مادة ما. في حالة تفاعلات الإلكترون والإلكترون، يكون الارتباط مدفوعًا بمجاذبات مغناطيسية قوية بما يكفي للتغلب على قوة التنافر بين الجسيمين المتشابهين. في حالة تفاعلات ثقب الإلكترون، يجب أن يكون التجاذب قويًا بما يكفي للتغلب على “فجوة الطاقة” في المادة، وهي خاصية مميزة للعازل.
“العازل هو عكس المعدن ؛ قال دين “إنها مادة لا توصل الكهرباء”. تبقى الإلكترونات في المادة عمومًا في حالة طاقة منخفضة أو “أرضية”. “جميع الإلكترونات محشورة في مكانها، مثل الأشخاص في مدرج ممتلئ؛ قال. لتحريك الإلكترونات، عليك أن تمنحهم دفعة في الطاقة كبيرة بما يكفي للتغلب على الفجوة المميزة بين الحالة الأرضية ومستوى طاقة أعلى.
في ظروف خاصة جدًا، يمكن أن يفوق اكتساب الطاقة من تفاعلات ثقب الإلكترون المغناطيسي تكلفة الطاقة للإلكترونات التي تقفز عبر فجوة الطاقة.
الآن، بفضل التقنيات المتقدمة، يمكن للفيزيائيين استكشاف تلك الظروف الخاصة لمعرفة كيفية ظهور حالة العازل الأكسيتونيك المضاد للمغناطيسية.

التفاعلات المغناطيسية وتكلفة الطاقة المرتبطة

لقياس التفاعلات المغناطيسية وتكلفة الطاقة المرتبطة بتحريك الإلكترونات. قدم كل من جيان ليو وجوني يانغ من جامعة تينيسي وعالمات أرغون ماري أبتون ودييجو كاسا مساهمات مهمة.

حيث بدأ الفريق تحقيقاتهم في درجة حرارة عالية وقاموا بتبريد المادة تدريجيًا. مع التبريد، ضاقت فجوة الطاقة تدريجياً. عند 285 كلفن (حوالي 53 درجة فهرنهايت)، بدأت الإلكترونات في القفز بين الطبقات المغناطيسية للمادة لكنها شكلت على الفور أزواجًا مرتبطة بالثقوب التي تركوها وراءهم، مما أدى في الوقت نفسه إلى المحاذاة المضادة للمغناطيسية لدوران الإلكترون المجاور. أجرى هيديمارو سوا وكريستيان باتيستا من جامعة تينيسي حسابات لتطوير نموذج باستخدام مفهوم العازل الأكسيتونيك المضاد للمغناطيسية المتوقعة، وأوضحا أن هذا النموذج يشرح النتائج التجريبية بشكل شامل.
أوضح ياو شين: “باستخدام الأشعة السينية، لاحظنا أن الارتباط الناجم عن التجاذب بين الإلكترونات والثقوب يعيد طاقة أكثر مما كان عليه عندما قفز الإلكترون فوق فجوة النطاق”. “لأن الطاقة يتم توفيرها من خلال هذه العملية، فإن كل الإلكترونات تريد القيام بذلك. بعد ذلك، أنجزت جميع الإلكترونات عملية الانتقال، تبدو المادة مختلفة عن حالة درجة الحرارة المرتفعة من حيث الترتيب العام للإلكترونات والدوران. يتضمن التكوين الجديد ترتيب سبينات الإلكترون في نمط مغناطيسي مضاد بينما تخلق الأزواج المرتبطة حالة عازلة “مغلقة”.

الخلاصة

تمكن العلماء من اكتشاف الحالة المغناطيسية الجديدة للمادة طرق حديثة لإجبار الالكترونات بداخل الذرة على تغيير اتجاهات دورانها والتي تعمل على استقرار الخواص المغناطيسية لها حيث يدور كل الكترون في اتجاه عكس دوران الاخر في الوضع الطبيعي للذرة.ومع استخدام التقنيات الحديثة أدي ذلك لاستحداث حالة مغناطيسية غريبة للمادة. حيث يمكن أن يؤدي تحديد العازل الأكسيتونيك المضاد للمغناطيسية إلي رحلة طويلة لاستكشاف الطرق الرائعة التي تختارها الإلكترونات لترتيب نفسها في المواد. في المستقبل، قد يكون لفهم الروابط بين الدوران والشحن في مثل هذه المواد إمكانية تحقيق تقنيات جديدة واستحداث تكنولوجيات مذهلة.