اكتشاف نوع جديد من المواد المغناطيسية.. هذه خواصها

قالت مجلة "إيكونوميست" في تقرير لها إن موجة من الأبحاث الحديثة تشير إلى أن الفيزيائيين لم يكن لديهم الصورة الكاملة ويبدو أن نوعا جديدا من المواد المغناطيسية كان مختبئا تحت أنوفهم.

معظم الناس على دراية بالمغناطيسات الحديدية. هذه لها مجال مغناطيسي قوي ودائم، حيث يتم استخدامها في كل شيء بدءا من مغناطيس الثلاجة والبوصلات وحتى محركات السيارات الكهربائية.

ينشأ المجال المغناطيسي للمغناطيس الحديدي من الإلكترونات الموجودة داخل ذراته. فكما تحمل الإلكترونات شحنة كهربائية، فإن خاصية ميكانيكية الكم التي تسمى الدوران تعني أن كل إلكترون هو أيضا مغناطيس صغير.

في معظم المواد، تلغي دورات الإلكترونات الموجودة في ذرة واحدة بعضها البعض، بحيث لا تُظهر الذرة - وبالتالي المادة المبنية من تلك الذرات - أي مجال مغناطيسي عام.

اظهار أخبار متعلقة

في بعض الأحيان، كما هو الحال في الحديد الذي تُصنع منه القضبان المغناطيسية، تعمل الأمور بشكل مختلف. إذا كانت هذه المجالات المغناطيسية ذات النطاق الذري قوية بما فيه الكفاية، وإذا كانت الذرات متراصة بشكل وثيق، فيمكن للإلكترونات أن تجبر جيرانها على محاذاة مجالاتها في نفس الاتجاه. إن الجمع بين ملايين الحقول الصغيرة ينتج حقلا قويا بما يكفي للصق قائمة التسوق على باب الثلاجة.

وفي عام 1932، اكتشف عالم الفيزياء الفرنسي لويس نيل طريقة أخرى لتنظيم الأشياء، في ما أسماه المواد "المغناطيسية المضادة".

وكما هو الحال مع المغناطيسات الحديدية، فإن الذرات الموجودة في هذه المواد لها مجالات خاصة بها. ومثل المغناطيسات الحديدية، تُظهر هذه المواد نظاما داخليا صارما، على الرغم من أنه لا ينتج مجالا مغناطيسيا شاملا على الإطلاق.

وذلك لأن مجالات الذرات الموجودة في المادة المضادة للمغناطيسية تشير في اتجاهين متعاكسين لاتجاهات جيرانها، ما يؤدي إلى إلغاء بعضها البعض تماما.

وكان يُعتقد لفترة طويلة أن هذا هو الحال، إلى أن أدلى ليبور سميجكال، عالم الفيزياء في جامعة ماينز بدلوه. وكان الدكتور سميجكال يبحث في شيء يسمى تأثير هول الكمي، وبدأ بإجراء إعادة تفكير منهجية في جميع الحالات المغناطيسية المحتملة، انطلاقا من المبادئ الأولى. وبحلول عام 2018، قاده هذا إلى نتيجة مفاجئة.

اظهار أخبار متعلقة

وقال إن المجالات المغناطيسية داخل المادة يمكن أن تصطف بطريقة أخرى. يمكن أن ينتهي الأمر بالذرات المجاورة بدوران يشير في اتجاهين متعاكسين إذا تم تدوير الذرات نفسها بمقدار 90 درجة مقارنة بجيرانها. (على الرغم من أن الذرات يتم تمثيلها غالبا على هيئة مجالات، وبالتالي فهي غير مبالية بالدوران، إلا أن الأمور في الواقع أكثر تعقيدا من ذلك قليلا). وستكون النتيجة شيئا مشابها لمضادات المغناطيسية الحديدية، ولكنها متميزة بما يكفي لتستحق اسما جديدا. لقد ذهب الدكتور سميجكال إلى "المغناطيسية البديلة".

منذ آب/ أغسطس 2023، تم نشر ما لا يقل عن ستة أوراق بحثية تدعي أنها لاحظت المغناطيسية البديلة في المختبر.

نُشرت إحداهما، بقلم لي سويونغ من جامعة سيئول الوطنية وزملائها، والتي تُنسب إلى الدكتور سميجكال باعتباره مؤلفا مشاركا، الأسبوع الماضي في مجلة Physical Review Letters.

ويقولون إنهم لاحظوا المغناطيسية البديلة في أفلام تيلوريد المنغنيز، وهو شبه موصل يُعتقد منذ فترة طويلة أنه مضاد للمغناطيسية. ويتوقع الدكتور سميجكال أن يتم نشر المزيد من الأدلة في مجلة Nature الشهر المقبل.

اظهار أخبار متعلقة

ويشتبه أيضا في أن أكثر من 200 مادة أخرى عبارة عن مغناطيسات بديلة مقنعة، استنادا إلى البيانات المتوفرة في الأدبيات. يقول كريستوفر ماروس، عالم فيزياء المواد المكثفة بجامعة ليدز: "أعتقد أنه من المقبول على نطاق واسع في المجتمع أن هذه ظاهرة حقيقية".

قد تأتي التطبيقات في مجال الإلكترونيات الدورانية، والتي تهدف إلى تمثيل البيانات ليس كشحنات كهربائية، كما تفعل معظم أجهزة الكمبيوتر الموجودة، ولكن كأنماط من الدوران. يمكن التحكم في الإلكترونات الموجودة داخل المغناطيس البديل من الخارج، كما هو الحال في المغناطيس الحديدي.

يمكن جعل تلك التي لديها نمط معين من الدوران تتحرك في اتجاه مختلف لتلك التي لديها نمط آخر من الدوران. لكن استخدام المغناطيسات الحديدية أمر صعب، لأن مجالاتها المغناطيسية تتداخل مع مجالات جيرانها إذا كانت قريبة جدا من بعضها البعض. يمكن تكديس المغناطيسات البديلة بشكل أكثر كثافة، دون وجود مثل هذا المجال.

وقد لا تكون هذه نهاية القصة، كما يقول الدكتور سميجكال، الذي يعتقد أن المزيد من أشكال المغناطيسية الجديدة قد تكون كامنة هناك.