مغناطيس بديل

راقصان على مسرح واحد: أحدهما يجذب شريكه نحو جهة، والآخر نحو الجهة المعاكسة. في بلورة Cu2(OH)3Br، المعروفة باسم بوتالاكيت، تترتب ذرات النحاس في سلاسل حيث تتوازى سبينات (عزوم مغناطيسية) الأيونات المتجاورة أحيانًا كما في الفيرومغناطيسية، وتتضاد أحيانًا أخرى كما في المغناطيسية المضادة.

ضبط مستقبل راديو على محطة يتغير ترددها عند عبور حد طوري، هكذا يمكن تصور المهمة التي واجهت الباحثين. في معدن YbRh2Si2 تتصرف الإلكترونات كجسيمات «ثقيلة»: كتلتها الفعالة أكبر بمئات المرات من كتلة الإلكترون الحر.

قفل باب بمفتاحين مختلفين: أحدهما يدور بسهولة، والآخر يتطلب جهدًا ملحوظًا. هكذا تتصرف طبقتان من نيتريد البورون السداسي عند تدويرهما بالنسبة لبعضهما. تتكون هذه المادة من ذرات البورون والنيتروجين مرتبة في شبكة سداسية، ويمكن لطبقاتها أن تستقر في أوضاع مختلفة، مثل شبكتين متطابقتين مزاحتين بزوايا مختلفة.

تخيل سُلَّمًا قضبانه مغناطيسات صغيرة. إذا كانت المغناطيسات المتجاورة موجهة بشكل متعاكس (مضادة للتوازي)، يكون السُلَّم في حالة "هادئة". ولكن إذا جعلناها تصطف في اتجاه واحد، فإن البنية بأكملها تتمغنط وتصبح "عنيدة" — ينشأ ترتيب مغناطيسي حديدي.

الهيكل المغناطيسي لبلورة EuMnSb2 يشبه السقالات: ذرات المنغنيز تشكل أعمدة رأسية صلبة، بينما ذرات اليوروبيوم تشكل عوارض متحركة. حتى الآن لم يكن هناك إجماع حول الزاوية التي تميل بها هذه العوارض في حالة السكون، وكيف تدور عندما يضغط المجال المغناطيسي على السقالات. الطرق التقليدية لم تعطِ إجابة دقيقة: ذرات اليوروبيوم تمتص النيوترونات بشدة، والإشارة تغرق في الضوضاء.

يعمل المجال المغناطيسي في الكهرباء الحرارية عادةً كمرور صارم: لكي تتحول الحرارة إلى كهرباء، يجب أن يكون المجال موجهًا عرضيًا لتدفق الحرارة. إذا كان المجال على طول تدفق الحرارة، يختفي التأثير — هكذا كان يُعتقد لعقود. هذا القيد ينبع من الصورة الكلاسيكية لتأثير نيرنست، حيث يكون المجال العرضي ضروريًا لفصل الشحنات.

البلورة تشبه مدينة بشوارع مختلفة: في بعضها تسير السيارات بسرعة ولمسافات طويلة، وفي البعض الآخر ببطء وتعلق. في المادة الطبقية CrPS₄، تتصرف الموجات المغناطيسية التي تحمل السبين (العزم الذاتي للجسيم) بنفس الطريقة. على طول محور واحد من البلورة، تسير أسرع بمقدار 2.2 مرة وتقطع مسافة أكبر بمقدار 2.7 مرة مقارنة بالمحور الآخر.

تخيل طريقًا سريعًا حيث يفصل التدفقان المتعاكسان ليس فقط على جانبين مختلفين، بل على طريقين مستقلين تمامًا — لكل منهما مدخله ومخرجه. شيء مشابه يحدث للإلكترونات في نوع جديد من العوازل التوبولوجية وصفه مؤلفو الدراسة. أخذوا مادة ألترامغناطيسية ثنائية الأبعاد — مادة تكون فيها لفات الإلكترونات (أسهمها المغناطيسية الصغيرة) مرتبة بترتيب صارم، لكن إجمالي المغنطة يساوي صفرًا، كما في المغناطيس المضاد.

ينخفض نصف قطر النجم بمقدار ألف كيلومتر. ليس لأن كتلته زادت، بل لأن مجاله المغناطيسي الذاتي ضغط القشرة مثل مشد غير مرئي. في مركز هذا الجسم — القزم الغريب — تختبئ نواة كواركية: كرة من المادة الغريبة تزن مثل الشمس، لكن قطرها ثلاثة أو أربعة كيلومترات فقط. هذه هي البذرة الثقيلة.

في عام 2022، وصف الفيزيائيون نوعًا جديدًا من المغناطيسية — المغناطيسية البديلة (alternagnetism). فيها، تنفصل الإلكترونات ذات اتجاهات الدوران (اللف المغزلي) المختلفة في الطاقة اعتمادًا على اتجاه حركتها، مثل عدّائين يتسارع أحدهما على مضمار والآخر يتباطأ على مضمار آخر. لكن اللف المغزلي ليس درجة الحرية الوحيدة للجسيمات.

ملف تسلا يطلق شرارات، ويبدأ شعاع الضوء بالدوران حوله. المادة التي يمر عبرها لا تزال مستقرة — لكن المجال يزداد، ويزداد الدوران. هذه ليست خدعة، بل سلوك مواد خاصة: فهي تربط الكهرباء والمغناطيسية. لهذا الارتباط حد أساسي — حد تيليجين. إذا تم تجاوزه، تفقد المادة استقرارها الكهرومغناطيسي. كان يُعتقد سابقًا أن هذا الحد محدد بشكل صارم بخصائص المادة نفسها.

في بلورة طالما أُطلق عليها «ذهب الحمقى» على مر القرون، اكتشف الفيزيائيون كنزًا حقيقيًا. أصبح مركب MnTe2 ذو البنية البايرايتية مسرحًا لباليه كمومي: تلتوي الموجات السبينية هنا إلى دوامات يسارية ويمينية، ويرتبط اتجاه الالتواء ارتباطًا وثيقًا بالزخم. هذا التأثير، الذي سُجّل لأول مرة في أطياف رامان ذات الاستقطاب الدائري، يحوّل الأنتيفيرومغناطيس إلى منصة مثالية للمغنونيات غير التبادلية.

بعض المواد من الداخل أشبه بشريط موبيوس — فحالاتها الإلكترونية ملتوية بطريقة خاصة. عادةً ما يُحاول تغيير هذه الخصائص الطوبولوجية بمجال مغناطيسي قوي، وكأننا نحاول تسطيح الشريط بمطرقة ثقيلة. لكن مجموعة من الباحثين وجدت أداة أدق. اتضح أنه في العوازل الطوبولوجية المغناطيسية يمكن الاكتفاء بدوران خفيف للمغناطيسية الداخلية. هذا يشبه المفتاح في القفل الذي يفتح الباب دون عنف.

في عالم يسعى نحو الفوضى، يولد أحيانًا إيقاع. لطالما أذهل تفاعل بيلوسوف-جابوتينسكي الكيميائي الخيال لعقود: في أنبوب اختبار، تتسابق الموجات الملونة من تلقاء نفسها، كما لو كانت كائنًا حيًا يتنفس المادة. شيء مشابه يكمن في البلورات، حيث تتوازن ذرات الحديد بين هيئتين مغناطيسيتين — عالية السبين ومنخفضة السبين.

في بعض البلورات، تتذبذب العزوم المغناطيسية للذرات بتناغم، مثل موجة في ملعب رياضي. تنقل هذه الموجة اللف المغزلي دون تيار شحنات، فلا تُسخن المادة. يشبه هذا التدفق نهراً غير مرئي — هادئاً وبارداً. المغناطيسات المتناوبة ثنائية الأبعاد هي مواد مميزة: تسير الموجات المغزلية فيها بشكل مختلف على طول المحاور المختلفة. لكن يمكن تغيير شكل البلورة.

مغناطيسان على طاولة إما يتجاذبان أو يتنافران - اعتمادًا على اتجاه قطبيهما. داخل كل قطعة تختبئ مناطق صغيرة جدًا تتجه فيها جميع الأسهم المغناطيسية في اتجاه واحد. تسمى هذه المناطق بالمجالات المغناطيسية (magnetic domains)، ويعتمد سلوك المادة في الدائرة الكهربائية على ترتيبها. في المغناطيسية البديلة (altermagnets) - وهي فئة جديدة من المواد - تكون المجالات أكثر تعقيدًا.

يعمل المترجم في عالمين في آنٍ واحد: بالنسبة للمراقب الخارجي، هو صامت وغير ملحوظ، لكن داخل وعيه يغلي نشاط حافل بخطوط دلالية واضحة. هذا تقريبًا هو حال المغناطيسات البديلة (alternmagnets) — فئة حديثة الاكتشاف من المواد المغناطيسية. في الفضاء العادي، تكون مغنطتها معوَّضة بالكامل، كما في المغناطيسات المضادة: الأسهم المغناطيسية الصغيرة للجيران موجهة بشكل متعاكس وتُلغي بعضها البعض.

حبل مطاطي سميك يُلف ويلف حتى يصل إلى نقطة الانهيار. عندها لا يتحمل، فيتمزق ويضرب في كل اتجاه، محررًا الطاقة المختزنة. هذا ما تفعله المجالات المغناطيسية داخل النجوم النيوترونية — البقايا فائقة الكثافة للنجوم المنفجرة. عندما تتمزق خطوط المجال وتعيد الاتصال فورًا (وهذه العملية تسمى إعادة الاتصال المغناطيسي)، تندفع الطاقة إلى الخارج. ولكن ليس فقط على شكل حرارة أو ضوء.

المشط الذي يُمشط به الشعر يجذب قصاصات الورق. هذه الحيلة الفيزيائية البسيطة قرر العلماء تطبيقها على المستوى المجهري — للتحكم في الدوامات المغناطيسية التي تُسمى السكيرميونات. يشبه السكيرميون إعصارًا صغيرًا في بحر من المغنطة: في مركزه تشير إبر البوصلة إلى الأعلى، وعند الأطراف تلتف إلى الأسفل. هكذا تتشكل عقدة مستقرة لا تنحل من تلقاء نفسها.

إذا ألقيت حفنة من العملات المعدنية على طاولة، فستستقر عشوائيًا. لكن في بعض البلورات، تصطف الذرات في نمط يشبه السلة المنسوجة — شبكة كاغومي (kagome lattice). في معدن MgMn₆Sn₆ تشكل ذرات المنغنيز هذه الشبكة، وعند درجة حرارة الغرفة تعمل كإبر مغناطيسية صغيرة.

تخيّل كومة من الصفائح المغناطيسية، كل صفيحة ممغنطة في اتجاه معاكس لجارتها. إنها ساندويتش متعدد الطبقات تتحرك فيه الإلكترونات ككائن واحد. يبدأ المادة بأكملها في محاكاة الأكسيون — جسيم شبحي لا يكاد يتفاعل مع المادة، ويشتبه الفيزيائيون في أنه هو المادة المظلمة.

ورقتان من الورق موضوعتان معًا تبدأان بالانزلاق البطيء فوق بعضهما عند التسخين. هذا تقريبًا ما تفعله طبقات ثنائي كبريتيد الموليبدينوم، وهي مادة بسماكة ذرة واحدة. في درجة حرارة الغرفة، تنزلق تلقائيًا بسرعة تقارب مترًا في الثانية. كان يُعتقد سابقًا أن تحريك الطبقات يتطلب تجاوز حاجز، كما لو كنت تسحب صندوقًا ثقيلًا فوق عتبة الباب.

قطعة من الماغنيتيت — ذلك الحجر الحديدي العادي — تتصرف بشكل غريب. في درجة حرارة الغرفة، يوصل الكهرباء، لكن بمجرد تبريده إلى ما دون 150 درجة تحت الصفر، تقفز المقاومة فجأة. هذا القفز، الذي اكتُشف عام 1939، عجز الفيزيائيون عن تفسيره لما يقرب من قرن. العمل الجديد يقدم حلاً.

في بلورة Rb1-xV2Te2O، تصطف مغازل ذرات الفاناديوم في نمط رقعة الشطرنج: كل مغزل محاط بمغازل متعاكسة. يُسمى هذا النمط بالمغناطيسية الحديدية المضادة من النوع G. النيوترونات، عند مرورها عبر العينة، تتبعثر على هذا النمط وتكشف عن هندسته — مثل ضوء مصباح يدوي يمر عبر ستائر معتمة فيرسم خطوطًا على الجدار.

أقراص العسل مبنية من خلايا متطابقة، لكن بمجرد تغيير شكل واحدة قليلاً، تكتسب البنية بأكملها خصائص جديدة. تقريبًا بنفس الطريقة، تصرف الباحثون عند إنشاء مغناطيس بدون ذرة معدن واحدة. أخذوا جزيئات كربون مسطحة على شكل مثلثات – التريانغولينات (triangulenes) – ورتبوها في شبكة سداسية، كما يبني النحل أقراص العسل.

بين المغناطيسات هناك أساتذة هادئون في التحول. المغناطيس العادي يجذب المشابك الورقية وله قطان — شمال وجنوب. وهناك مواد مصممة داخليًا مثل رقعة شطرنج مغناطيسية: ذراتها مرتبة بانتظام صارم، لكن خارجيًا تتصرف المادة بشكل محايد، وكأن المغناطيس غير موجود إطلاقًا. تسمى هذه المواد بالمغناطيسات التبادلية (alternmagnets). درس الفيزيائيون 135 مادة من هذا القبيل من قاعدة بيانات مفتوحة.

المغناطيس العادي على باب الثلاجة يجذب الحديد لأن جميع الإبر المغناطيسية الصغيرة داخله تصطف في اتجاه واحد. لكن توجد مواد تصطف فيها الإبر بشكل أكثر تعقيدًا: الصفوف المتجاورة تشير في اتجاهين متعاكسين، ومن الخارج يبدو وكأن المغناطيسية غائبة. وقد أُطلق على هذه المواد اسم المغناطيسات البديلة (alternmagnets).

كرة صغيرة بحشوة حديدية تستقر على سطح، ويدور حولها مجال مغناطيسي. تبدأ الكرة بالتدحرج مثل عجلة، وعادةً تتحرك في اتجاه دوران المجال. لكنها أحيانًا تنعكس فجأة وتتدحرج في الاتجاه المعاكس — عكس اتجاه المجال.

ظل أكسيد الروثينيوم يُعتبر لفترة طويلة مثالًا نموذجيًا للمغناطيسية البديلة (alternmagnetism) — وهي مادة تكون فيها العزوم المغناطيسية للذرات المتجاورة متعاكسة الاتجاه، لكنها لا تتعادل تمامًا بسبب تناظر بلوري خاص. أظهرت قياسات جديدة أنه لا توجد أي مغناطيسية داخل البلورة. كل النشاط المغناطيسي يتركز على السطح.

المغناطيس الملتصق بباب الثلاجة يبقى ثابتًا لأن الإبر الذرية الصغيرة بداخله مصطفة في اتجاه واحد. لكن إذا بدأت هذه الإبر تتنازع فيما بينها — بعضها يسحب إلى اليسار، وبعضها إلى اليمين، وبعضها يدور كالقمة — ينشأ ما يُسمى بالإحباط المغناطيسي. هذا الاضطراب يولّد أنماطًا عجيبة: خطوطًا وحلزونات ودوامات.

في فيلم مغناطيسي رقيق، كما في قاعة مزدحمة، كل "شخص" هو سهم مغزلي (spin) يحاول أن يصطف في نفس اتجاه جيرانه. ولكن في زوايا القاعة تحدث تزاحمات - دوامات حيث تلتف الأسهم ولا يمكنها أن تصطف. تعيش هذه الدوامات في أزواج: واحدة تدور لليسار والأخرى لليمين، ومعاً يمنعون القاعة من الاستقرار التام.

إبرة البوصلة المغناطيسية تدور ببطء، لكن داخل بعض المواد، يمكن للعزوم المغناطيسية الصغيرة أن تنقلب في أزمنة يصعب تصورها. قامت مجموعة من الفيزيائيين بحساب كيفية جعلها تغير اتجاهها في جزء من مليون من جزء من مليار من الثانية. وهذا أسرع من ومضة مصباح. على سبيل المثال، أخذوا مادة Mn3Sn — وهي معدن حيث تكون العزوم المغناطيسية للذرات مصفوفة ليس بشكل متوازٍ بل بزاوية، مشكلة نمطًا مثلثيًا معقدًا.

مجموعتان من الأراجيح تتأرجحان في اتجاهين متضادين لا تميلان المنصة. لكن حركتهما تولد دوامات غير مرئية تدفع الكرة جانباً. هكذا تتصرف المواد المتناوبة المغناطيسية: الأسهم المغناطيسية للذرات متوازنة تماماً، لكن التناظر الخفي يحني تدفق الحرارة.

قطعة من غشاء أكسيد الزنك موضوعة على الطاولة. يُقرَّب مغناطيس وتبدأ بتدويره ببطء حول الغشاء. الغشاء، الذي يبلغ سمكه أقل من سمك شعرة الإنسان، يبدأ في تغيير أبعاده: ينكمش تارةً ويتمدد تارةً أخرى. هذه الخاصية تُسمى التضيق المغناطيسي (magnetostriction) — وهي قدرة المادة على التشوه تحت تأثير المجال المغناطيسي.

ورقة الغرافين بسماكة ذرة واحدة تشبه شبكة معدنية مرنة تندفع عبرها الإلكترونات دون عوائق تقريبًا. اطوِ ورقتين منها مع إزاحة طفيفة، وستتغير خصائص المادة جذريًا: فقد تصبح عازلًا لا يمرر التيار. في العمل الجديد، أظهر الفيزيائيون أن هذا التبدل في الأدوار يمكن استدعاؤه بمجالات ضعيفة إذا أُخذ في الاعتبار عدم تماثل ضئيل في ترتيب الذرات.

الحلقة المكونة من ذرات مغناطيسية تشبه رقصة دائرية يمسك فيها كل مشارك بيدي جاريه. في المغناطيسات العادية، تمتلك كل ذرة عزمًا مغناطيسيًا دائمًا خاصًا بها، وتتفاعل هذه العزوم مثل أسهم صغيرة تسعى للاصطفاف بشكل متعاكس.

المغناطيس، مثل إبرة البوصلة، يحب أن يشير إلى اتجاه معين. ولكن ماذا لو كانت هذه المادة طبقية، مثل كومة من الفطائر؟ أخذ العلماء مغناطيسًا من هذا النوع، مصنوعًا من مركب الكروم والجرمانيوم والتيلوريوم، وقرروا معرفة مدى "عناده" عند محاولة تدوير مغنطته. ولتحقيق ذلك، ألصقوا العينة على شوكة رنانة من الكوارتز — وهي شوكة صغيرة جدًا تصدر رنينًا بتردد عالٍ.

بلورة فوسفات الليثيوم والكوبالت تشبه رقعة الشطرنج، حيث الخلايا السوداء والبيضاء هي مناطق ذات اتجاه معاكس للعزوم المغناطيسية لأيونات الكوبالت. تُسمى هذه المناطق بالنطاقات المضادة للمغناطيسية الحديدية (antiferromagnetic domains)، وكان من الصعب رؤيتها حتى الآن: فالطرق التقليدية تتطلب معدات معقدة أو تُتلف العينة. وجدت مجموعة من الباحثين طريقة لإضاءة هذه «الرقعة» بالضوء تحت الأحمر.

في قطعة من أكسيد المنغنيز بسماكة بضع طبقات ذرية، تتصرف الإلكترونات كحشد على سُلَّم متحرك: كلٌّ يتحرك وفق قواعده الخاصة، لكنهم معًا يشكلون تيارًا عامًا. وجّه الفيزيائيون إلى هذا الغشاء أشعةَ إكس لينة (soft X-rays) واقتلعوا الإلكترونات إلى الخارج. ومن زاوية الانطلاق وطاقة تلك الإلكترونات، أعادوا بناء صورة مستويات الطاقة — وهي بمثابة جدول حركة داخل المادة.

بلورة أكسيد الأوزميوم OsO₂ تشبه مراهقًا عنيدًا: في الظروف العادية تتصرف كمعدن عادي، لكن بمجرد الضغط عليها بقوة أكبر، يتغير سلوكها. قام الفيزيائيون بزراعة هذه المادة على شكل بلورات مفردة عالية الجودة واكتشفوا أنه عند الضغط الجوي، يكون OsO₂ موصلًا جيدًا بسلوك سائل فيرمي واضح، حيث تتناثر الإلكترونات بشدة على بعضها البعض، مثل حشد في ممر ضيق.