علماء الفيزياء في جامعة برينستون يكشفون أسرار المغناطيسية الحركية

الفيزيائيون جامعة برينستون تم تصوير المادة المجهرية المسؤولة عن هذه المغناطيسية مباشرة، وهو نوع غير عادي من البولارون.

ليست كل المغناطيسات متشابهة. عندما نفكر في المغناطيسية، فإننا عادة نفكر في المغناطيس الذي يلتصق بباب الثلاجة. بالنسبة لهذه الأنواع من المغناطيس، تم فهم التفاعلات الإلكترونية التي تنتج المغناطيسية منذ حوالي قرن من الزمان، منذ الأيام الأولى لميكانيكا الكم. ولكن هناك العديد من أشكال المغناطيسية المختلفة في الطبيعة، ولا يزال العلماء يكتشفون الآليات التي تحركها.

الآن، حقق علماء الفيزياء في جامعة برينستون تقدمًا كبيرًا في فهم شكل من أشكال المغناطيسية المعروف باسم المغناطيسية الحركية، وذلك باستخدام ذرات فائقة البرودة مرتبطة بشبكة مبنية بواسطة ليزر اصطناعي. تم وصف تجاربهم في ورقة بحثية نشرت هذا الأسبوع في المجلة طبيعةسمح هذا للباحثين بتصوير المادة المجهرية المسؤولة عن المغناطيسية بشكل مباشر، وهو نوع غير عادي من البولارون، أو شبه الجسيمات، الناشئة في نظام كمي متفاعل.

فهم المغناطيسية الحركية

وقال وسيم بكر، أستاذ الفيزياء في جامعة برينستون وكبير مؤلفي الورقة البحثية: “إنه أمر مثير للغاية”. “يرتبط أصل المغناطيسية بحركة الشوائب في المصفوفة الذرية، ومن هنا جاء الاسم علم الميكانيكا المغناطيسية. هذه الحركة غير عادية للغاية وتؤدي إلى مغناطيسية قوية حتى في درجات الحرارة المرتفعة جدًا. إلى جانب إمكانية ضبط المغناطيسية من خلال المنشطات – إضافة أو إزالة الجسيمات – تعد المغناطيسية الحركية واعدة جدًا لتطبيقات الأجهزة في المواد الحقيقية.

قام باكر وفريقه بالتحقيق في هذا الشكل الجديد من المغناطيسية بمستوى من التفصيل لم يتم تحقيقه في الأبحاث السابقة. بفضل التحكم الذي توفره الهياكل الذرية فائقة البرودة، تمكن الباحثون، لأول مرة، من تصور الفيزياء الأنيقة التي تؤدي إلى المغناطيسية الحركية.

قام الباحثون في جامعة برينستون بتصوير المظهر المجهري لنوع جديد من المغناطيس بشكل مباشر. مصدر الصورة: ماكس بريتشارد، مجموعة وسيم بكر في جامعة برينستون

أدوات متقدمة للاكتشافات الكمومية

“يتمتع مختبرنا بالقدرة على النظر إلى هذا النظام من منظور واحد ذرة وقال بكر: “والتقطوا لقطات لحالة الموقع الفردي في الشبكة والتفاعلات الكمومية الدقيقة بين الجسيمات في النظام”.

لسنوات، قام باكر وفريقه البحثي بدراسة الحالات الكمومية في غرفة مفرغة من خلال تجربة جسيمات دون ذرية فائقة البرودة تسمى الفرميونات. لقد طوروا جهازًا متطورًا يبرد الذرات إلى درجات حرارة شديدة البرودة ويحملها في بلورات صناعية تسمى الشبكات البصرية التي تم إنشاؤها باستخدام أشعة الليزر. وقد سمح هذا النظام للباحثين باستكشاف العديد من الجوانب المثيرة للاهتمام في عالم الكم.

الأسس النظرية والرؤى التجريبية

تُعرف الآلية المبكرة المقترحة نظريًا للمغناطيسية والتي وضعت الأساس لتجارب الفريق الحالية باسم المغناطيسية الحديدية في Nagaoka، والتي سميت على اسم مكتشفها Yosuke Nagaoka. المغناطيسات الحديدية هي تلك التي تكون فيها حالات دوران الإلكترونات كلها في نفس الاتجاه.

المغناطيس الحديدي ذو السبينات المحاذية هو النوع الأكثر شيوعًا من المغناطيس، وفي أبسط بيئة نظرية، تنجذب الإلكترونات المتفاعلة بقوة في الشبكة نحو المغناطيس الحديدي المضاد الذي تتم محاذاة السبينات فيه في اتجاهات متناوبة. هذا التفضيل لمقاومة محاذاة السبينات المجاورة ينتج عن الاقتران غير المباشر لسبينات الإلكترون المجاورة التي تسمى التبادل الفائق.

ومع ذلك، يفترض ناجوكا أن المغناطيسية الحديدية قد تكون نتيجة لآلية مختلفة تمامًا، تحددها حركة الشوائب أو المواد المشابهة المضافة عمدًا. ويمكن فهم ذلك بشكل أفضل من خلال تخيل شبكة مربعة ثنائية الأبعاد، حيث يشغل كل موقع شبكي، باستثناء واحد، إلكترون واحد. يتحرك الموقع غير المأهول (أو الحفرة المشابهة) في الشبكة.

وجد ناجوكا أنه إذا تحرك الثقب في بيئة ذات دورانات متوازية أو مغناطيسات حديدية، فإن المسارات المختلفة لحركة الثقب الكمومي تتداخل ميكانيكيًا مع بعضها البعض. وهذا يعزز انتشار الحالة الكمومية للثقب ويقلل الطاقة الحركية، وهو تأثير إيجابي.

إرث ناجاوكا وميكانيكا الكم الحديثة

وسرعان ما اكتسبت نظرية ناجاوكا قبولا، حيث كانت هناك بعض الأدلة الصارمة التي تشرح الحالات الأساسية لأنظمة الإلكترونات المتفاعلة بقوة. لكن مراقبة التأثيرات من خلال التجارب كانت تحديًا صعبًا بسبب المتطلبات الصارمة للنموذج. من الناحية النظرية، يجب أن تكون التفاعلات قوية بشكل لا نهائي ولا يُسمح إلا بمنشط واحد فقط. بعد خمسة عقود من اقتراح ناجاوكا نظريته، أدرك باحثون آخرون أن هذه الظروف غير الواقعية يمكن تخفيفها بشكل كبير في الشبكات ذات الأشكال الهندسية المثلثة.

تجربة الكم وآثارها

ولإجراء التجربة، استخدم الباحثون أبخرة ذرات الليثيوم -6. يحتوي نظير الليثيوم هذا على ثلاثة إلكترونات وثلاثة بروتونات وثلاثة نيوترونات. قال بنجامين سبار، طالب دراسات عليا في الفيزياء بجامعة برينستون والمؤلف الرئيسي المشارك للورقة البحثية: “العدد الفردي يجعله نظير فرميوني، مما يعني أن الذرات تتصرف مثل الإلكترونات في نظام الحالة الصلبة”.

عندما يتم تبريد هذه الغازات باستخدام أشعة الليزر، إلى درجات حرارة عالية لا تتجاوز بضعة أجزاء من المليار من الدرجة الصفر المطلقويخضع سلوكهم لمبادئ ميكانيكا الكم بدلا من الميكانيكا الكلاسيكية الأكثر شيوعا.

فحص الحالات الكمومية باستخدام أنظمة الذرة الباردة

وقال سبار: “بمجرد أن نحقق هذا النظام الكمي، فإن الشيء التالي الذي نفعله هو تحميل الذرات في شبكة بصرية مثلثة. في نظام الذرة الباردة، يمكننا التحكم في مدى سرعة تحرك الذرات أو مدى قوة تفاعلها مع بعضها البعض”.

في العديد من الأنظمة شديدة التفاعل، يتم تنظيم الجسيمات الموجودة في الشبكة في “نمط عازل”، وهي حالة من المادة تشغل كل موقع من شبكة الجسيمات. في هذه الحالة، هناك تفاعلات مغناطيسية حديدية ضعيفة بسبب التبادل الفائق بين دوران الإلكترونات في المواقع المجاورة. ولكن بدلاً من استخدام وضع العازل، استخدم الباحثون تقنية تسمى “المنشطات”، والتي تزيل بعض الجزيئات، وبالتالي تترك “ثقوبًا” في الشبكة، أو تضيف جزيئات إضافية.

الكشف عن أشكال جديدة من المغناطيسية الكمومية

وقال بكر: “نحن لا نبدأ بذرة واحدة لكل موقع في تجاربنا”. “بدلاً من ذلك، نقوم بتغطية الشبكة بالثقوب أو الجسيمات. عند القيام بذلك، يمكنك رؤية شكل قوي جدًا من المغناطيسية في هذه الأنظمة، والذي يتمتع بمقياس طاقة أعلى من مغناطيس التبادل الفائق النموذجي. ويرتبط مقياس الطاقة هذا بالقفز. من الذرات في الشبكة.”

ومن خلال تطوير مسافات كبيرة جدًا بين مواقع الشبكة في الشبكات الضوئية مقارنة بالمواد الحقيقية، تمكن الباحثون من رؤية ما كان يحدث على مستوى الموقع الواحد باستخدام المجهر الضوئي. واكتشفوا أن المادة المسؤولة عن هذا الشكل الجديد من المغناطيسية كانت عبارة عن نوع جديد من القطب المغناطيسي.

دور البولارونات في الأنظمة الكمومية

وقال بكر: “البولارون هو شبه جسيم يظهر في نظام كمي مع العديد من المكونات المتفاعلة”. “إنه يتصرف مثل الجسيم العادي، بمعنى أنه يمتلك خصائص الشحنة، واللف المغزلي، والكتلة الفعالة، ولكنه ليس جسيمًا حقيقيًا مثل الذرة. وفي هذه الحالة، فهو عبارة عن مادة منشطة تتحرك في حالة اضطراب. بيئتها المغناطيسية، أو تدور حولها بالنسبة لبعضها البعض، وكيف يتم ضبطها؟

في المواد الحقيقية، تمت ملاحظة هذا الشكل الجديد من المغناطيسية سابقًا في ما يسمى بمواد تموج في النسيج تتكون من بلورات مكدسة ثنائية الأبعاد، وهو ما حدث فقط في العام الماضي.

استكشاف المغناطيسية الكمومية في العمق

وقال سبار: “إن دراسات المغناطيسية المتاحة لهذه المواد محدودة. وتقيس التجارب التي أجريت على مواد تموج في النسيج التأثيرات العيانية، والتي تتعلق بكيفية استجابة جسم كبير عند تطبيق مجال مغناطيسي”. “من خلال البنية الذرية الباردة، يمكننا التعمق أكثر في الفيزياء الدقيقة التي تؤدي إلى المغناطيسية. لقد التقطنا صورًا مفصلة تكشف تفاعلات الدوران حول المنشطات المتحركة. على سبيل المثال، نرى أن الحفرة المشابهة تحيط نفسها بمضادات الدوران المحاذية. أثناء تحركه، بينما يقوم الجسيم المنشط بالعكس، فهو يدور حول نفسه بحلقات متوازية.

إلى جانب فهم فيزياء المغناطيسية، فإن هذا البحث له آثار بعيدة المدى على فيزياء المادة المكثفة. على سبيل المثال، تم افتراض أن الإصدارات الأكثر تعقيدًا من هذه البولارونات تؤدي إلى آليات الجمع بين إشابات الثقوب، مما يؤدي إلى الموصلية الفائقة في درجات حرارة عالية.

الاتجاهات المستقبلية لأبحاث المغناطيسية الكمومية

قال ماكس بريتشارد، طالب دراسات عليا ومؤلف مشارك في الورقة: “الجزء الأكثر إثارة في هذا البحث هو أنه يتماشى حقًا مع الدراسات في مجتمع المادة المكثفة”. “نحن في وضع فريد لتقديم نظرة ثاقبة لمشكلة في الوقت المناسب من زاوية مختلفة تمامًا، وستستفيد جميع الأطراف.”

وبالنظر إلى المستقبل، يبتكر الباحثون بالفعل طرقًا جديدة ومبتكرة لمواصلة دراسة هذا الشكل الجديد والغريب من المغناطيسية، واستكشاف قطبية السبين بمزيد من التفصيل.

الخطوات التالية في أبحاث بولارون

وقال بريتشارد: “في هذه التجربة الأولى، التقطنا لقطات للبولارون، وهي مجرد خطوة أولى”. “لكننا الآن مهتمون بالقياس الطيفي للبولارونات. نريد أن نرى المدة التي تعيشها البولارونات في نظام متفاعل، وقياس طاقة الربط لمكونات القطبية معًا، وقياس كتلتها الفعالة أثناء انتشارها عبر الشبكة. هناك الكثير المزيد مما يتعين القيام به.

الأعضاء الآخرون في الفريق هم جو يان الآن جامعة شيكاغو، والمنظران إيفان موريرا، جامعة برشلونة، إسبانيا، ويوجين تيملر، معهد الفيزياء النظرية في زيوريخ، سويسرا. تم دعم العمل التجريبي من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم، ومكتب أبحاث الجيش، ومؤسسة ديفيد ولوسيل باكارد.

ملاحظة: ماكس ل. بريتشارد، بنيامين م. سبار، إيفان موريرا، يوجين تملر، زوي زد. يان ووسيم س. بكر، 8 مايو 2024، “التصوير المباشر لبولارونات الدوران في نظام هوبارد المحبط ديناميكيًا” طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-024-07356-6