المغناطيس رائع، لكنه مزعج أيضًا
حسنًا، دعونا نتحدث عن المغناطيس لثانية واحدة. من المحتمل أنك تعرف الأساسيات — مثل أن الأقطاب المتشابهة تتنافر، والأقطاب المتعاكسة تتجاذب، وأن ثلاجتك مغطاة بأشكال لطيفة لأن الشركات اكتشفت أن هذه طريقة رائعة لبيع المغناطيسات. أشياء رائعة حقًا.
لكن إليكم الأمر: المغناطيسات العادية (النوع الذي يسمى "الفيرومغناطيسات" إذا أردت الدقة) لديها مشكلة في "الشخصية". فهي تخلق ما يسميه العلماء "المجالات المغناطيسية الشاردة" — وبشكل أساسي، هي تبث اهتزازاتها المغناطيسية باستمرار في المنطقة المحيطة، مما قد يربك المكونات الإلكترونية القريبة.
الآن، لا يمثل هذا مشكلة كبيرة عندما تضع مغناطيسًا على ثلاجة. ولكن هنا تصبح الأمور معقدة: أجهزتنا الإلكترونية تصبح أصغر فأصغر. هاتفك الذكي يمتلك بالفعل قدرة حوسبة تفوق قدرة الحواسيب التي أرسلت رواد الفضاء إلى القمر. ومع حشرنا لمزيد ومزيد من المكونات في مساحات متناهية الصغر، تصبح تلك المجالات المغناطيسية الشاردة صداعًا حقيقيًا.
لذا، استكشف العلماء نوعًا آخر من المواد يسمى "المغناطيسات المضادة" (Antiferromagnets). هذه المواد تشبه "معلمي الزن" في عالم المغناطيس — فلحظاتهم المغناطيسية الداخلية تشير إلى اتجاهات متعاكسة وتلغي بعضها البعض جوهريًا. لا مجالات شاردة، ولا دراما. المشكلة؟ المغناطيسات المضادة مملة نوعًا ما... فهي تفتقر إلى بعض الخصائص الإلكترونية المفيدة التي تجعل الفيرومغناطيسات جذابة للغاية لبناء التكنولوجيا.
ظهور "الألترماغناطيسية": الأفضل من العالمين
هنا تصبح الأمور مثيرة. قام فريق من الباحثين في جامعة فلوريدا الوسطى، بقيادة الفيزيائي مادهاب نيوبان، بدراسة شكل جديد تم التعرف عليه حديثًا من المغناطيسية يسمى "الألترماغناطيسية" (Altermagnetism). ووفقًا لأبحاثهم التي نُشرت مؤخرًا، قد يكون هذا الشيء هو الحل الوسط السحري الذي كنا نبحث عنه.
تخيل "الألترماغناطيسية" كشخص انطوائي ومفكر، لكنه أصبح بطريقة ما روح الحفلة. يمكن لهذه المواد أن تعمل دون إنشاء تلك المجالات المغناطيسية الشاردة المزعجة (شكرًا للمغناطيسية المضادة!). ولكن في الوقت نفسه، يمكنها توليد وكشف ما يسمى "تيارات اللف المغزلي" (Spin currents) — وهي أساسًا تدفق لفات الإلكترونات عبر المادة.
لماذا يهم ذلك؟ حسنًا، تعتمد حواسيبنا الحالية بالكامل على حركة الشحنة الكهربائية لمعالجة المعلومات. لكن للإلكترونات خاصية أساسية أخرى تسمى "اللف المغزلي" (Spin) (وهو ليس دورانًا حرفيًا، لكن هذا موضوع آخر تمامًا)، واستخدام هذه الخاصية قد يفتح طرقًا جديدة تمامًا للتعامل مع البيانات.
المادة المثالية
وجد الباحثون دليلًا على وجود "الألترماغناطيسية" في مادة تسمى Co₁/₄TaSe₂، وهو اسم قد تجد صعوبة في نطقه بعد مشروبين. إنها مادة طبقية تحتوي على ذرات كوبالت مغناطيسية، وكانت مختبئة في وضح النهار، تنتظر من يلقي نظرة فاحصة.
ما يجعل هذه المادة مميزة بشكل خاص هو هيكلها. الطبقات متصلة بضعف فقط، مما يعني أن الباحثين يمكنهم فصلها وإعادة دمجها في هياكل رقيقة جدًا. الأمر يشبه البناء بأوراق رقيقة ومرنة للغاية يمكنك ترتيبها كما تشاء. وهذا يجعلها مثالية لتلك الأجهزة ذات الأغشية الرقيقة التي تزداد أهميتها في الإلكترونيات.
كيف يمكنك حتى اكتشاف شيء غريب كهذا؟
الآن، هنا يصبح العلم رائعًا حقًا (وأعني بكلمة "رائع" أنه "يتطلب معدات تكلف أكثر من معظم المنازل").
استخدم الفريق تقنية تسمى "مطيافية الانبعاث الضوئي المعتمدة على الزاوية" (ARPES) باختصار. وهي في الأساس طريقة لقياس طاقة وحركة الإلكترونات عن طريق عكس الضوء عنها وتحليل ما يعود منها. فكر في الأمر كأنه "السونار"، ولكن للإلكترونات.
أظهرت القياسات الأولية شيئًا مثيرًا للاهتمام: كان هناك انقسام مميز في النطاقات الإلكترونية للمادة. ولكن للتأكد حقًا من أنهم ينظرون إلى "الألترماغناطيسية"، كانوا بحاجة إلى التعمق أكثر — حرفيًا في خصائص اللف المغزلي لتلك الإلكترونات.
لقد استخدموا تقنية ARPES المعتمدة على اللف المغزلي، وهي تشبه النسخة العادية ولكن مع "قوى خارقة" تسمح لك بقياس كيفية دوران الإلكترونات. وهنا ظهرت النتيجة: كانت الحالات الإلكترونية المنفصلة لها استقطابات لف مغزلي متعاكسة، وهو بالضبط ما تتوقعه من الألترماغناطيسية.
الجزء الصعب؟ تقنيات الانبعاث الضوئي حساسة للغاية لظروف السطح. حتى أصغر قدر من التلوث يمكن أن يخفي الإشارات التي يبحثون عنها. لذا، كان على المتعاونين إنتاج عينات عالية الجودة للغاية، وكان على فريق نيوبان فحص كل واحدة منها بدقة للتأكد من نظافة الأسطح قبل دراستها.
ماذا يعني هذا لأجهزتك المستقبلية؟
هنا أشعر ببعض الحماس تجاه الاحتمالات.
يشير نيوبان إلى أن المواد الألترماغناطيسية مثل Co₁/₄TaSe₂ يمكن استخدامها في النهاية في "الإلكترونيات الدورانية" (Spintronics - الإلكترونيات التي تسخر لف الإلكترون)، وأجهزة الذاكرة فائقة السرعة، وشبكات التيرهرتز، والإلكترونيات الموفرة للطاقة. هذه قائمة تسوق طويلة للتكنولوجيا المستقبلية.
تخيل حواسيب لا تسخن لأنها لا تهدر الكثير من الطاقة. تخيل أجهزة ذاكرة يمكنها الانتقال بين الحالات بشكل فوري تقريبًا. تخيل إلكترونيات يمكنها العمل باستخدام مبادئ بدأنا للتو في فهمها.
هل سيحدث هذا ثورة في هاتفك الذكي العام المقبل؟ ربما لا. لكن العلم غالبًا ما يعمل بخطوات صغيرة تتراكم في النهاية لتصبح قفزات عملاقة. واكتشاف أن الألترماغناطيسية حقيقية — وأننا نستطيع ملاحظتها وقياسها في مواد حقيقية — هو بالتأكيد إحدى تلك الخطوات الصغيرة.
قد يكون مستقبل الحوسبة مغناطيسيًا بطرق لم نتوقعها أبدًا. وبصراحة؟ لا أطيق الانتظار لأرى إلى أين سيقودنا هذا.
المصدر: ScienceDaily — نوع جديد من المغناطيسية قد يفتح الباب أمام حواسيب أسرع وأكثر كفاءة