عيب دقيق في الماس يكشف عن نوع استثنائي من المغناطيس

ظل العلماء لعقود يعرفون نوعين رئيسيين من المغناطيسية؛ الأول هو المغناطيسية الحديدية التي نراها في المغناطيسات العادية، حيث تتجه المجالات المغناطيسية للذرات في الاتجاه نفسه، فتتجمع قوتها ويصبح الجسم مغناطيسا واضحا.

أما المغناطيسية المضادة، فتتجه المجالات المغناطيسية للذرات المتجاورة في اتجاهين متعاكسين؛ واحدة إلى أعلى والأخرى إلى أسفل مثلا. وبذلك تلغي كل ذرة تقريبا تأثير جارتها، فلا يظهر للمادة مجال مغناطيسي خارجي واضح، رغم أن ذراتها نفسها تحمل خصائص مغناطيسية.

لكن في عام 2019 ظهرت فكرة المغناطيسية البديلة، عندما واجه الباحثون سلوكا لا يمكن تفسيره بواسطة المواد المغناطيسية الحديدية أو المواد المغناطيسية المضادة للحديد.

والمغناطيسية البديلة، هي مواد تجمع بين مزايا النوعين السابقين، فهي لا تمتلك مجالا مغناطيسيا خارجيا ظاهرا مثل المغناطيسات المضادة، لكنها في الوقت نفسه تظهر خصائص إلكترونية تشبه المغناطيسات الحديدية، الأمر الذي يجعلها مرشحة بقوة لتطوير إلكترونيات أسرع وأكثر توفيرا للطاقة.

مصدر الصورة

نوع خاص من المغناطيس

يقول البروفيسور فيكتور أوغوستو، من معهد الفيزياء، بالجامعة الوطنية المستقلة في المكسيك، في تصريحاته للجزيرة نت، إن كل مغناطيس يتكون من مغناطيسات دقيقة للغاية، وفي المواد البلورية تترتب هذه المغناطيسات وفق نمط محدد يُعرَف باسم "الشبكة البلورية".

ويضيف: "تتمثل هذه المغناطيسات الدقيقة -التي نطلق عليها اسم "العزوم المغناطيسية"- عادةً في أيونات أو ذرات محددة تشكّل المادة، حيث إن العزوم المغناطيسية هي قوة المغناطيس واتجاهه في الفضاء والتي تنشأ من حركة الإلكترونات حول النوى أو دورانها الذاتي، وتُظهر هذه الخاصية المغناطيسية عندما تصطف العزوم المغناطيسية، تتضافر تأثيراتها لتنتج خاصية تُعرَف بـ"التمغنط". أما في المواد غير المغناطيسية، فتكون العزوم المغناطيسية موجّهة بشكل عشوائي، ولا تنتج عنها محصلة للتمغنط".

ويوضح: "ورغم أن المغناطيسيات البديلة تبدو مشابهة للمغناطيسات الحديدية المضادة، حيث إن العزوم المغناطيسية تشير إلى اتجاهات متعاكسة وبشكل متناوب، فإن ترتيبها يتميز بخاصية إضافية، إذ تشغل العزوم المغناطيسية التي تشير إلى اتجاه معين بيئة بلورية تختلف عن تلك التي تشغلها العزوم التي تشير إلى الاتجاهات المعاكسة".

وحول أهمية المواد المغناطيسية البديلة في نقل المعلومات، يقول فيكتور: "في جهاز كمبيوتر تقليدي، تُنقل المعلومات بواسطة التيار الكهربائي، أي أن الشحنات الكهربائية تنقل التيار، حيث تُحمل هذه الشحنات بواسطة الإلكترونات التي تنتشر في المواد المكونة للمكونات الإلكترونية، ولكن هناك تفكير في تصميم أجهزة تنقل المعلومات ليس عن طريق شحنة الإلكترون، بل عن طريق عزمه المغناطيسي، المعروف باللف المغزلي، ولا يمكن تصنيع هذه الأجهزة إلا باستخدام مواد يعتمد فيها انتقال الإلكترونات على اتجاه لفها المغزلي، لهذا فإن طريقة انتشار الإلكترونات تعتمد على اتجاه لفها المغزلي؛ لأن اللف المغزلي يتأثر بالعزوم المغناطيسية للمادة".

مصدر الصورة

نهج جديد للاستشعار الكمي

الاستشعار الكمي هو تقنية قياس متطورة تعتمد على خصائص ميكانيكا الكم مثل التشابك والتداخل الكمي لتحقيق دقة وحساسية فائقة تتجاوز حدود أدوات القياس العادية، كما تقوم بتحويل التغيرات الفيزيائية الصغيرة جدا إلى إشارات واضحة تتجاوز الضوضاء والتشويش المحيط بالبيانات، وفي هذه الدراسة، اقترح الفيزيائيون في جامعة بافالو نهجا جديدا للاستشعار الكمي يمكن أن يجعل تحديد المواد المغناطيسية البديلة أسهل بكثير.

وتعتمد الطريقة المقترحة، والموصوفة في دورية "فيزيكل ريفيو ليترز"، على الكشف عن كيفية تأثير مغناطيسية بديلة مشتبه بها على عيب مغناطيسي مجهري دقيق داخل الماس، يتكون من ذرة نيتروجين وذرة كربون مجاورة مفقودة، وهو ما يمنحها حساسية استثنائية للنشاط المغناطيسي القريب.

تعتمد الطريقة المقترحة على الكشف عن كيفية تأثير مغناطيسية بديلة مشتبه بها على عيب مغناطيسي مجهري دقيق داخل الماس.

يقول فيكتور للجزيرة نت: "تتمثل المسألة الرئيسية التي نود معالجتها في كيفية التمييز بين "المغناطيس البديل، و"المغناطيس المضاد"؛ إذ تعتمد آليتنا على ما يُعرَف بـ"مركز شغور النيتروجين"، وهي عبارة عن عيوب خاصة يمكن زرعها في بلورات الماس".

ويضيف: "باستخدام تقنيات خاصة، يمكن تعديل هذا الترتيب في موقعين فقط من البنية البلورية، وقد استُخدمت هذه التقنية على نطاق واسع لتوصيف أنواع مختلفة من المواد المغناطيسية، بما في ذلك المواد المغناطيسية الحديدية والمواد المغناطيسية الحديدية المضادة، وما أظهرناه في مقترحنا هو أن هذه التقنية قادرة على التمييز بين المواد المغناطيسية الحديدية المضادة والمواد المغناطيسية البديلة".