علماء الفيزياء في جامعة برينستون يكشفون أسرار المغناطيسية الحركية

الفيزيائيون من جامعة برينستون وقاموا بتصوير الجسم المجهري المسؤول 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 المغناطيسات، فقد تم فهم التفاعلات الإلكترونية التي تؤدي إلى ظهور المغناطيسية لمدة قرن تقريبًا، منذ بدايات ميكانيكا الكم. ولكن هناك العديد من أشكال المغناطيسية المختلفة في الطبيعة، ولا يزال العلماء يكتشفون الآليات التي تحركها.

الآن، حقق الفيزيائيون في جامعة برينستون تقدمًا كبيرًا في فهم شكل من أشكال المغناطيسية المعروف باسم المغناطيسية الحركية، وذلك باستخدام ذرات فائقة البرودة مرتبطة بشبكة صناعية مصنوعة بالليزر. تجاربهم، روى في مقال نشر هذا الأسبوع في المجلة طبيعةسمح للباحثين بتصوير الجسم المجهري المسؤول عن هذه المغناطيسية بشكل مباشر، وهو نوع غير عادي من البولارون، أو شبه الجسيمات التي تظهر في نظام كمي متفاعل.

فهم المغناطيسية الحركية

وقال وسيم بكر، أستاذ الفيزياء في جامعة برينستون والمؤلف الرئيسي للدراسة: “إنه أمر مثير للغاية”. “ترتبط أصول المغناطيسية بحركة الشوائب في الشبكة الذرية، ومن هنا جاءت تسميتها الحركية المغناطيسية. هذه الحركة غير عادية للغاية وتؤدي إلى مغناطيسية قوية حتى في درجات الحرارة المرتفعة جدًا. إلى جانب القدرة على ضبط المغناطيسية عن طريق المنشطات (إضافة أو إزالة الجسيمات)، تحمل المغناطيسية الحركية وعدًا كبيرًا لتطبيقات الأجهزة في المواد الحقيقية.

درس بكر وفريقه هذا الشكل الجديد من المغناطيسية بمستوى من التفصيل لم يتم تحقيقه من قبل في الأبحاث السابقة. بفضل التحكم الذي توفره الأنظمة الذرية فائقة البرودة، تمكن الباحثون، لأول مرة، من تصور الفيزياء الدقيقة وراء المغناطيسية الحركية.

لقد تصور باحثون من جامعة برينستون بشكل مباشر الأصول المجهرية لنوع جديد من المغناطيسية. مصدر الصورة: ماكس بريتشارد، مجموعة وسيم بكر في جامعة برينستون

أدوات متقدمة للاكتشافات الكمومية

“يتمتع مختبرنا بالقدرة على فحص هذا النظام على مستوى فريد. ذرة قال بكر: “في موقع واحد في الشبكة، التقطوا “لقطات” للارتباطات الكمومية الدقيقة بين الجسيمات في النظام”.

لعدة سنوات، كان بكر وفريقه البحثي يدرسون الحالات الكمومية من خلال تجربة جسيمات دون ذرية فائقة البرودة تسمى الفرميونات في غرفة مفرغة. لقد صمموا جهازًا متطورًا يبرد الذرات إلى درجات حرارة شديدة البرودة ويحملها في بلورات صناعية تسمى الشبكات الضوئية التي تم إنشاؤها باستخدام أشعة الليزر. وقد سمح هذا النظام للباحثين باستكشاف العديد من الجوانب المثيرة للاهتمام في عالم الكم، والتي تتضمن السلوك الناشئ لمجموعات من الجسيمات المتفاعلة.

الأسس النظرية والمنظورات التجريبية

تُعرف إحدى الآليات الأولى 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 تشير جميع حالات دوران الإلكترونات فيها إلى نفس الاتجاه.

في حين أن المغناطيس الحديدي المحاذي للدوران هو النوع الأكثر شهرة من المغناطيس، في أبسط إطار نظري، فإن الإلكترونات المتفاعلة بقوة على الشبكة تميل في الواقع نحو المغناطيسية الحديدية المضادة، حيث تصطف السبينات في اتجاهات بديلة. هذا التفضيل لمقاومة محاذاة السبينات المجاورة ينتج عن اقتران غير مباشر للسبينات الإلكترونية المجاورة يسمى التبادل الفائق.

ومع ذلك، افترض ناجاوكا أن المغناطيسية الحديدية يمكن أن تنشأ أيضًا من آلية مختلفة تمامًا، تحددها حركة الشوائب المضافة عمدًا، أو المنشطات. ويمكن فهم ذلك بشكل أفضل من خلال تخيل شبكة مربعة ثنائية الأبعاد، حيث يشغل كل موقع في الشبكة، باستثناء واحد، إلكترون. يتجول الموقع غير المأهول (أو الحفرة) في الشبكة.

اكتشف ناجاوكا أنه سواء تحرك الثقب في بيئة محاذية للدوران أو في مغناطيس حديدي، فإن المسارات المختلفة للحركة الكمومية للثقب تتداخل ميكانيكيًا مع بعضها البعض. يؤدي هذا إلى تحسين توزيع الموقع الكمي للثقب وتقليل الطاقة الحركية، وهي نتيجة إيجابية.

إرث ناجاوكا وميكانيكا الكم الحديثة

وسرعان ما اكتسبت نظرية ناجاوكا اعترافًا بسبب وجود عدد قليل من البراهين الصارمة التي تدعي تفسير الحالات الأساسية للأنظمة الإلكترونية شديدة التفاعل. لكن ملاحظة العواقب من خلال التجارب كان تحديًا صعبًا بسبب المتطلبات الصارمة للنموذج. في النظرية، يجب أن تكون التفاعلات قوية بلا حدود ولا يُسمح إلا بمنشط واحد فقط. بعد أكثر من خمسة عقود من اقتراح ناجاوكا لنظريته، أدرك باحثون آخرون أن هذه الظروف غير الواقعية يمكن تخفيفها بشكل كبير في الشبكات ذات الهندسة المثلثية.

التجربة الكمومية 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 ومؤلف مشارك كبير في هذه الورقة: “العدد الإجمالي الفردي يجعله نظير فرميوني، مما يعني أن الذرات تتصرف بنفس الطريقة التي تتصرف بها الإلكترونات في نظام الحالة الصلبة”.

عندما يتم تبريد هذه الغازات باستخدام أشعة الليزر إلى درجات حرارة قصوى لا تتجاوز بضعة أجزاء من المليار من الدرجة أعلاه. الصفر المطلقيبدأ سلوكهم بالخضوع لمبادئ ميكانيكا الكم بدلاً من الميكانيكا الكلاسيكية الأكثر شيوعًا.

استكشاف الحالات الكمومية من خلال تكوينات الذرة الباردة

“بمجرد أن نصنع هذا النظام الكمي، فإن الشيء التالي الذي نفعله هو شحن الذرات في الشبكة البصرية المثلثة. وقال سبار: “في تكوين 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 “عازل موت”، وهي حالة من المادة يحتل فيها جسيم واحد كل موقع في الشبكة. في هذه الحالة، هناك تفاعلات مغناطيسية حديدية ضعيفة بسبب التبادل الفائق بين دوران الإلكترونات في المواقع المجاورة. ولكن بدلاً من استخدام عازل موت، استخدم الباحثون تقنية تسمى “المنشطات”، والتي إما تزيل جزيئات معينة، أو 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 تجربتنا”. “بدلاً من ذلك، نقوم بتغطية الشبكة بالثقوب أو الجزيئات. وعندما تفعل ذلك، تجد أن هناك شكلًا أقوى بكثير من المغناطيسية التي يتم ملاحظتها في هذه الأنظمة بمقياس طاقة أعلى من مغناطيسية التبادل الفائق المعتادة. ويرتبط مقياس الطاقة هذا بقفز الذرات في الشبكة.

ومن خلال الاستفادة من المسافات الكبيرة بين مواقع الشبكة في الشبكات الضوئية مقارنة بالمواد الحقيقية، تمكن الباحثون من رؤية ما كان يحدث في موقع واحد باستخدام المجهر الضوئي. واكتشفوا أن الأجسام المسؤولة عن هذا الشكل الجديد من المغناطيسية هي 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 كجسيم عادي، بمعنى أن له خصائص مثل الشحنة واللف والكتلة الفعالة، ولكنه ليس جسيمًا حقيقيًا مثل الذرة. وفي هذه الحالة، فهو عبارة عن مادة مخدرة تتحرك مع اضطراب في بيئتها المغناطيسية، أو الطريقة التي تصطف بها السبينات حولها مع بعضها البعض.

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

التحقيق بشكل أعمق في المغناطيسية الكمومية

“إن المجسات المغناطيسية المتاحة لهذه المواد محدودة. وقال سبار: “إن التجارب التي أجريت على مواد تموج في النسيج قامت بقياس التأثيرات العيانية المرتبطة بكيفية تفاعل قطعة كبيرة من المادة عند تطبيق مجال مغناطيسي”. “بفضل تكوين الذرات الباردة، يمكننا التعمق في الفيزياء المجهرية المسؤولة عن المغناطيسية. لقد التقطنا صورًا تفصيلية تكشف عن الارتباطات الدورانية حول المنشطات المتنقلة. على سبيل المثال، نجد أن المشبع بالثقب يحيط نفسه بالدوران المغزلي المضاد للمحاذاة أثناء تحركه، في حين أن الجسيم المعزز يفعل العكس، إذ يحيط نفسه بالدوران المغزلي المحاذي.

هذا البحث له آثار بعيدة المدى على فيزياء المادة المكثفة، حتى أبعد من فهم فيزياء المغناطيسية. على سبيل المثال، تم الافتراض بأن الإصدارات الأكثر تعقيدًا من هذه البولارونات تؤدي إلى آليات لتزاوج منشطات الثقوب، مما قد يؤدي إلى الموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية.

الاتجاهات المستقبلية لأبحاث المغناطيسية الكمومية

قال ماكس بريتشارد، طالب دراسات عليا ومؤلف مشارك في الورقة: “الجزء الأكثر إثارة للاهتمام في هذا البحث هو أنه متزامن حقًا مع دراسات مجتمع المادة المكثفة”. “نحن في وضع فريد لتقديم نظرة ثاقبة لقضية في الوقت المناسب من منظور مختلف تمامًا، وستستفيد جميع الأطراف.” »

وبالنظر إلى المستقبل، يبتكر الباحثون بالفعل طرقًا جديدة ومبتكرة للتعمق أكثر في هذا الشكل الجديد الغريب من المغناطيسية ودراسة القطب المغزلي بمزيد من التفصيل.

الخطوات التالية في أبحاث بولارون

وأوضح بريتشارد: “في هذه التجربة الأولى، قمنا ببساطة بأخذ لقطات للبولارون، وهي مجرد خطوة أولى”. “لكننا الآن نريد إجراء قياس طيفي للبولارونات. نريد أن نرى المدة التي تعيشها القطبية في النظام المتفاعل، وقياس الطاقة التي تربط مكونات القطب وكتلتها الفعالة أثناء انتشارها عبر الشبكة. لا يزال هناك الكثير للقيام به.

أعضاء الفريق الآخرون هم زوي يان، الآن في جامعة شيكاغووالمنظران إيفان موريرا، جامعة برشلونة، إسبانيا، ويوجين ديملر، معهد زيورخ للفيزياء النظرية، سويسرا. تم دعم العمل التجريبي من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم، ومكتب أبحاث الجيش، ومؤسسة ديفيد ولوسيل باكارد.

المرجع: “التصوير المباشر للبولارونات الدوارة في نظام هوبارد المحبط حركيًا” بقلم ماكس إل بريتشارد، وبنجامين إم سبار، وإيفان موريرا، ويوجين ديملر، وزوي زي يان، ووسيم س. بكر، 8 مايو 2024، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-024-07356-6