اكتشف العلماء للتو نوعًا جديدًا من المغناطيسية

قال المؤلف المشارك في الدراسة أتاك إمام أوغلو، وهو فيزيائي أيضًا في معهد الإلكترونيات الكمومية: “إن السبب وراء وجود المغناطيسية في حياتنا اليومية هو قوة تفاعلات التبادل الإلكتروني”.

ومع ذلك، كما افترض ناجاوكا في ستينيات القرن العشرين، قد لا تكون تفاعلات التبادل هي الطريقة الوحيدة لصنع مادة مغناطيسية. تصور ناجاوكا شبكة مربعة ثنائية الأبعاد، حيث يحتوي كل موقع على الشبكة على إلكترون واحد فقط. ثم توصل إلى ما سيحدث إذا قمت بإزالة أحد تلك الإلكترونات في ظل ظروف معينة. ومع تفاعل الإلكترونات المتبقية في الشبكة، فإن الثقب الذي كان يوجد فيه الإلكترون المفقود سوف ينزلق حول الشبكة.

في سيناريو ناجاوكا، ستكون الطاقة الإجمالية للشبكة في أدنى مستوياتها عندما تكون جميع دورانات الإلكترونات متوازية. سيبدو كل تكوين إلكتروني متماثلًا، كما لو كانت الإلكترونات قطعًا متطابقة في أحجية البلاط المنزلق الأكثر مللًا في العالم. وهذه السبينات المتوازية بدورها ستجعل المادة ذات مغناطيسية حديدية.

عندما يكون هناك شبكتان مع تطور يوجد نمط

كان لدى إمام أوغلو وزملاؤه فكرة أنهم يستطيعون إنشاء مغناطيسية ناجاوكا من خلال تجربة صفائح أحادية الطبقة من الذرات التي يمكن تكديسها معًا لتكوين نمط تموج في النسيج معقد (يُنطق مواه راي). في المواد ذات الطبقات الرقيقة ذريًا، يمكن لأنماط تموج في النسيج أن تغير بشكل جذري كيفية تصرف الإلكترونات، وبالتالي المواد. على سبيل المثال، في عام 2018، أظهر الفيزيائي بابلو جاريلو-هيريرو وزملاؤه أن أكوام الجرافين المكونة من طبقتين اكتسبت القدرة على التوصيل الفائق عندما قامت بتعويض الطبقتين بالالتواء.

ظهرت مواد تموج في النسيج منذ ذلك الحين كنظام جديد مقنع لدراسة المغناطيسية، محصورة جنبًا إلى جنب مع سحب من الذرات فائقة التبريد والمواد المعقدة مثل النحاسات. وقال إمام أوغلو: “توفر لنا المواد المتموجة ملعبًا لتجميع ودراسة حالات الإلكترونات المتعددة في الجسم”.

بدأ الباحثون بتصنيع مادة من طبقات أحادية من ثنائي سيلينيد الموليبدينوم وثاني كبريتيد التنغستن، اللذين ينتميان إلى فئة من المواد التي أشارت عمليات المحاكاة السابقة إلى أنها يمكن أن تظهر مغناطيسية على طراز ناجاوكا. ثم قاموا بتطبيق مجالات مغناطيسية ضعيفة ذات قوة متفاوتة على مادة تموج في النسيج أثناء تتبع عدد دورانات الإلكترون الخاصة بالمادة المتوافقة مع الحقول.

ثم كرر الباحثون هذه القياسات مع تطبيق جهود مختلفة عبر المادة، مما أدى إلى تغيير عدد الإلكترونات الموجودة في شبكة تموج في النسيج. لقد وجدوا شيئًا غريبًا. كانت المادة أكثر عرضة للاصطفاف مع مجال مغناطيسي خارجي، أي التصرف بشكل أكثر مغناطيسية، فقط عندما كانت تحتوي على إلكترونات أكثر بنسبة تصل إلى 50% من المواقع الشبكية. وعندما كانت الشبكة تحتوي على إلكترونات أقل من تلك الموجودة في مواقع الشبكة، لم يرَ الباحثون أي علامات على المغناطيسية الحديدية. كان هذا عكس ما كانوا يتوقعون رؤيته لو كانت المغناطيسية الحديدية القياسية في ناجاوكا فعالة.

مهما كانت المادة ممغنطة، لا يبدو أن تفاعلات التبادل هي التي تحركها. لكن أبسط الإصدارات من نظرية ناجاوكا لم تشرح خصائصه المغناطيسية بشكل كامل أيضًا.

عندما تصبح أغراضك ممغنطة وتتفاجأ إلى حدٍ ما

وفي النهاية، وصل الأمر إلى الحركة. تخفض الإلكترونات طاقتها الحركية عن طريق الانتشار في الفضاء، مما قد يتسبب في تداخل الدالة الموجية التي تصف الحالة الكمومية لأحد الإلكترونات مع تلك الخاصة بجيرانه، مما يربط مصائرهم معًا. في مادة الفريق، بمجرد وجود إلكترونات في الشبكة المموجة أكثر من مواقع الشبكة، انخفضت طاقة المادة عندما تم إلغاء تمركز الإلكترونات الإضافية مثل ضخ الضباب عبر مسرح برودواي. ثم اقترنوا بشكل عابر مع الإلكترونات الموجودة في الشبكة لتكوين مجموعات ثنائية الإلكترون تسمى الدوبلونات.

هذه الإلكترونات الإضافية المتجولة، والدوبلونات التي استمرت في تشكيلها، لم تتمكن من إلغاء التمركز والانتشار داخل الشبكة ما لم تكن الإلكترونات الموجودة في مواقع الشبكة المحيطة بها تدور بشكل متوازي. ومع استمرار المادة في الوصول إلى أدنى مستويات الطاقة لديها، كانت النتيجة النهائية هي أن الدوبلونات تميل إلى إنشاء مناطق مغناطيسية حديدية موضعية صغيرة. حتى حد معين، كلما زاد عدد الدوبلونات التي تتدفق عبر الشبكة، أصبحت المادة أكثر مغناطيسية.