درجة حرارة كوري

تخيّل أوركسترا تعزف فيها الكمانات والأبواق ألحانًا مختلفة، لكنها معًا تصنع صوتًا قويًا. في بلورة المغناطيس الطبقي Fe5GeTe2 المطعَّم بالنيكل، تتولّى مناطق صغيرة من طور آخر دور هذه الآلات: إنها الترسّبات النانوية لطور Fe6GeTe2. وهي، لا النيكل نفسه، المسؤولة عن بقاء المادة مغناطيسية عند درجة حرارة 478 كلفن، أي 205 درجات مئوية.

في قاعةٍ تتراقص فيها الأزواج، عُزفت موسيقى مختلفة، فإذا بالأزواج التي كانت مصطفّة في صفوف تبدأ بالدوران كالدوامات. هكذا تعيد البلورة المغناطيسية Fe3Ge ترتيب نمطها الداخلي عندما ترتفع الحرارة فوق 375 كلفن، أي نحو مئة درجة من الدفء. قبل هذا الحدّ ترقد الإبر المغناطيسية في البلورة مسطّحة، كأزواج ترقص رقصة دائرية.

في باطن الأرض، على عمق يتراوح بين 660 و2900 كيلومتر، توجد طبقة تُعرف بالوشاح السفلي. هناك يصل الضغط إلى 1.3 مليون ضغط جوي، ودرجة الحرارة مماثلة لدرجة حرارة سطح الشمس. في هذه الظروف يوجد معدن الديفماويت، ثالث أكثر المعادن وفرة في الوشاح السفلي. وهو يشكّل نحو ربع حجم القشرة المحيطية التي تنغرس ببطء في جوف الكوكب.

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.

أوركسترا متجمدة، حيث يتبادل العازفون أماكنهم عندما يضع قائد الأوركسترا المغناطيسي مقطوعة جديدة. في بلورة الإسبينيل، تجلس ذرات الحديد والمغنيسيوم في نوعين من المقاعد: بعضها محاط بأربعة جيران، والبعض الآخر بستة. في درجة حرارة الغرفة، تتحرك قليلًا فقط، لكن بمجرد تبريد المادة إلى 5 كلفن، تبدأ هجرة جماعية. الحركة الحرارية تكاد تنعدم، ومع ذلك يتغير النظام جذريًا.

غرفة عازلة للصوت تُضبط فيها شوكة رنانة: أدنى حفيف يخل بالضبط. في عالم القياسات الذرية فائقة الدقة، يمثل المجال المغناطيسي ذلك الحفيف. فهو يزيح ترددات الانتقالات بشكل غير ملحوظ، وللحصول على معيار موثوق، اضطر الفيزيائيون إلى معايرة المجال بدقة.

غشاء رقيق من نيتريد الزركونيوم يستقر على ركيزة من أكسيد المغنيسيوم. سمكه عشرا ميكرون، مثل خيط العنكبوت، لكن داخله تغلي حياة كمية. عند التبريد إلى نصف كلفن، لا تختفي الموصلية الفائقة فيه فجأة: بل تتفكك إلى جزر نادرة لا تزال صامدة وسط الفوضى. هذه الفوضى تسببها فراغات الزركونيوم وذرات النيتروجين الزائدة.

في البلورة الطبقية CrSBr، تصطف العزوم المغناطيسية للذرات مثل النوتات في المقطوعة الموسيقية: داخل كل طبقة تشير في اتجاه واحد، وبين الطبقات تشير في اتجاهين متعاكسين. هذا اللحن المضاد للمغناطيسية (antiferromagnetic) يستمر حتى 132 كلفن، وبعد ذلك تدمر الحركة الحرارية النظام. تعلم الفيزيائيون إعادة كتابة هذه المقطوعة عن طريق قصف البلورة بأيونات الهيليوم.

الغرافين — بلورة كربون ثنائية الأبعاد بسماكة ذرة واحدة — قادر على تغيير خصائصه المغناطيسية مثلما يغير الماء حالته: تارةً يتدفق سائلاً، وتارةً يتجمد جليداً. في العمل الجديد، درس الفيزيائيون لأول مرة الديناميكا الداخلية لهذه العملية باستخدام مستشعر بحجم رأس الإبرة.

ورقة مغناطيسية — هكذا يمكن وصف المادة الجديدة 1T-CrS₂. ترتبط طبقاتها بقوى ضعيفة، مثل صفحات دفتر الملاحظات، لكن كل طبقة هي مغناطيس حقيقي. بل مغناطيس صلب: يحتفظ بمغناطيسيته عبر الطبقات ولا يفقدها حتى عند تسخينه فوق درجة حرارة الغرفة. لفترة طويلة، لم يكن من الممكن زراعة مثل هذه البلورات.

شلال لا يسخن من السقوط، بل يتجمد — هكذا تقريبًا يتصرف الغاز المتدفق نحو النجم النيوتروني في النجم النابض بالأشعة السينية عندما يكون النجم خافتًا. عادةً، تسخن المادة المتساقطة حتى التوهج الأبيض، لكن العمل الجديد يُظهر العكس.

داخل مفاعلات فوكوشيما المدمرة توجد مئات الأطنان من الوقود المنصهر - خليط من اليورانيوم والزركونيوم والحديد ونواتج الانشطار. يُطلق على هذا الحطام اسم حطام الوقود. يجب استخراجه ونقله وتغليفه بشكل آمن لعقود. لكن كيف سيتصرف هذا الخليط المتفجر عند التسخين أو الضغط أو الصدمة العرضية؟ للإجابة، نحتاج إلى أرقام دقيقة، وليس تخمينات. أحد المكونات الرئيسية للحطام هو مركب اليورانيوم مع الحديد UFe₂.

الموصلية الفائقة والمجال المغناطيسي خصمان أزليان: يندفع المجال كإعصار يمزق التزاوج الرقيق لأزواج كوبر، ويدمر النظام. لكن في المواد ذات الترابطات الإلكترونية القوية، حيث ترقص الجسيمات وكأنها في مينويت معقد من التجاذب والتنافر، تتحول العداوة أحيانًا إلى تحالف. وهذا بالضبط ما يحدث في بلورة ثنائي تيلوريد اليورانيوم UTe2.

لا تتوقف العوالم ثنائية الأبعاد عن الإدهاش: فحتى انصهار البلورة هنا ليس كسراً للتناظر، بل عرض دوامي اكتشفه كوسترليتز وتاولس. في قلب هذا المسرح تكمن التفردات الطوبولوجية، التي تتنافس طاقتها وإنتروبيتها من أجل انتظام النظام. هذه اللغة واحدة بالنسبة للميوعة الفائقة والموصلية الفائقة.

سلسلة طويلة من الذرات، وكل ذرة عبارة عن مغناطيس صغير. تتحاور هذه المغناطيسات مع بعضها البعض ومع المجال الخارجي، مثل موسيقيين في أوركسترا يسمعون قائد الأوركسترا وجيرانهم في آن واحد. عندما يتغير المجال الخارجي، إما أن تعزف الأوركسترا بشكل غير منسجم، أو تدخل جميع الآلات في تناغم تام — وهذا هو الانتقال الكمومي. عادةً ما يكون هذا الانتقال سلسًا، مثل زيادة تدريجية في شدة الصوت.

الشاي الساخن في الفريزر لا يتجمد فورًا. أولاً، تتشكل إبر جليدية صغيرة تتحرك فيه — تظهر وتذوب حتى تنخفض درجة الحرارة بما يكفي ليتجمد الجليد تمامًا. هكذا تقريبًا تصرف الكون المبكر عندما كان يبرد ويغير بنيته الداخلية. يسمي الفيزيائيون هذا تحولًا طوريًا من النوع الأول — تغيرًا حادًا في الحالة، مثل الماء عند التجمد.

الموصل الفائق يشبه رقصة دائرية مثالية للإلكترونات: تتحرك في أزواج دون فقدان الطاقة، مثل راقصين لا يخطئون أبدًا في الإيقاع. لكن بمجرد إضافة القليل من الشوائب المغناطيسية، يقتحم دخيلٌ الرقصة ويعطل الحركة المتناغمة. تنخفض درجة الحرارة التي تبدأ عندها هذه الرقصة.

قضيب معدني عند تسخينه يصبح فجأة صلبًا، ويفقد أو يكتسب خصائص مغناطيسية. في السبائك القائمة على النيكل والمنغنيز، لا تحدث هذه التحولات بشكل تدريجي بل بشكل قفزي — إذ تعيد الذرات ترتيب نفسها في نظام جديد، وتتغير سلوك المادة. في هذا العمل، درس الباحثون أربعة تركيبات قريبة جدًا من Ni-Mn-Cu-Ga، حيث تختلف نسبة النحاس بكسور من المئة فقط.

قدرٌ به ماءٌ على الموقد: كلما زادت حرارة النار، أسرع تحوّلُ الثلج إلى ماء، والماء إلى بخار. الحرارة تُفكك النظام. لكن أحيانًا تفاجئنا الطبيعة، فتجمد السائلَ بالحرارة، كأنما تتجمد بركةُ ماءٍ في الصقيع. أشهر مثالٍ على ذلك هو الهيليوم-3: في درجات الحرارة المنخفضة يكون سائلًا، لكن إذا سُخّن إلى 0.3 درجة فوق الصفر المطلق، يصبح فجأة صلبًا.

مئات الأشخاص على حلبة الرقص يقفون على مسافات متساوية بينهم — نظام صارم، مثل الشبكة البلورية. الموسيقى البطيئة هي الاهتزازات الحرارية، التي تجعل الراقصين يتمايلون قليلًا. إذا أصبحت الموسيقى أعلى وأسرع، ينهار النظام: يختلط الجميع. هكذا تدمر الحركة الحرارية الحالات المنتظمة للإلكترونات في المواد الصلبة.

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.

بلورة الحديد تشبه فسيفساء من حبيبات متراصة بإحكام. حيث تلتقي حبيبة بأخرى، ينشأ حد — خط رفيع مضطرب النظام. وفي هذه اللحامات تحديدًا تختبئ مفاجآت للمغناطيسية. حسب العلماء كيف تتفاعل ذرات الحديد مع بعضها عند ثلاثة أنواع من هذه الحدود.

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.

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.

بلورة فيريت السترونشيوم تشبه مبنى متعدد الطوابق، حيث تعيش ذرات الحديد في كل طابق. بعض الطوابق "تنظر" إلى الأعلى، وبعضها إلى الأسفل، ومجالاتها المغناطيسية تلغي بعضها جزئيًا. لكن إذا استبدلنا بعض السكان بالألومنيوم، الذي لا يشارك في اللعبة المغناطيسية، يتغير توازن القوى.

الماء في الغلاية يغلي عند مئة درجة، لكن إذا ضغطته بشدة فسيتصرف بشكل مختلف. تقريبًا بنفس الطريقة، الكواركات والغلوونات — اللبنات التي تتكون منها البروتونات والنيوترونات — تغير خصائصها في مجال مغناطيسي قوي. تنشأ مثل هذه المجالات عند تصادم الأنوية الثقيلة في المسرعات، ويمكن أن تخبرنا عن كيفية تكوين المادة في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم.

عادةً ما يعمل التيار في المعدن مثل الماء المغلي على الجليد: فهو يسخن المادة ويدمر النظام المغناطيسي. لكن في بنية طبقية من ثنائي تيلوريد التنجستن والمغناطيس الحديدي Fe3GeTe2، يتصرف التيار بشكل مختلف. فهو لا يسخن، بل يحرض داخل الطبقة المجاورة مجالًا مغناطيسيًا إضافيًا — كما لو أنك لا تذيب الجليد بل تجمده أكثر.

قطعة من سبيكة اليوروبيوم والإنديوم عند تبريدها في مجال مغناطيسي تتصرف مثل الماء الذي لا يتجمد دفعة واحدة، بل أولًا في زاوية من الكأس ثم في أخرى. عند درجة حرارة حوالي 16 كلفن (أي 257 درجة مئوية تحت الصفر)، تفقد هذه المادة خصائصها المغناطيسية فجأة، لكن مجالًا قويًا يبلغ حوالي 25 ألف إرستد يكسر القفزة الواحدة إلى خطوتين متتاليتين.

تشبه بلورة Fe₃Sn₂ شبكة منقوشة، حيث توجد ذرات الحديد في زوايا أشكال سداسية. في الظروف العادية، تكون أسهمها المغناطيسية مصطفة بدقة، مثل جنود في طابور. ولكن بمجرد ضغط البلورة، ينهار هذا الطابور. تحت ضغط يبلغ حوالي 20 جيجاباسكال (وكأن عشرين فيلًا يقفون على ظفر إصبع)، تعيد الشبكة ترتيب نفسها قليلًا.

ثلاجة المستقبل المغناطيسية لن تصدر ضجيج ضاغط. ستعمل على تبريد الطعام من خلال مادة خاصة تسخن في مجال مغناطيسي وتبرد عند إزالة المجال. تشبه هذه الدورة ضغط وتمدد الغاز في الثلاجة العادية، لكن بدلاً من المكبس يعمل المغناطيس. لفهم مدى جودة المادة لمثل هذه الثلاجة، يجب قياس ثلاثة أشياء: مقدار الحرارة التي تطلقها، ومدى برودتها، وكيف تتغير سعتها الحرارية.

النجم المغناطيسي هو نجم نيوتروني بمجال مغناطيسي أقوى بمئات الملايين من المرات من مجال الأرض. إذا قرّبت مغناطيسًا عاديًا من مثل هذا المجال، فسوف يفقد مغناطيسيته فورًا، وستمتد الذرات إلى خيوط رفيعة. في مثل هذه الظروف، يتفاعل الضوء والإلكترونات بشكل غير مألوف: القواعد المألوفة للديناميكا الكهربائية الكمومية تتوقف عن العمل، ويجب إعادة النظر في الحسابات.

تتصرف المواد المغناطيسية أحيانًا مثل أشخاص يجادلون ولا يستطيعون الاتفاق: بعض الروابط بين الذرات تسحب في اتجاه، والبعض الآخر في الاتجاه المعاكس. عندما تكثر هذه الصراعات، يصبح النظام «مُحبَطًا» — لا يستطيع إيجاد حالة سكون واحدة. أضف إلى ذلك التقلبات الكمومية، ويصبح حساب متى سيفقد المادة مغناطيسيتها كابوسًا للكمبيوترات التقليدية.

البلورة تغيّر هندستها الداخلية، مثل هيكل مبنى يميل قليلاً عند وقوع زلزال. في سبيكة المنغنيز والغاليوم (Mn₃Ga)، عند درجة حرارة حوالي 485 كلفن (أي حوالي 212 درجة مئوية)، يحدث انتقال مغناطيسي: ترتب الذرات في نظام مغناطيسي حديدي مضاد (antiferromagnetic order)، حيث تتجه العزوم المغناطيسية المتجاورة في اتجاهين متعاكسين.

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 Pr₄Ni₃O₁₀ تشبه شطيرة من ثلاث طبقات: طبقات أكسيد النيكل تفصل بينها طبقات البراسيوديميوم. عند التبريد، تظهر ثلاثة أنظمة مغناطيسية تباعًا — وكأنه داخل الشطيرة تصطف أولًا سبينات النيكل، ثم تعيد ترتيبها قليلًا، ثم تنضم إليها سبينات البراسيوديميوم. الميونات — أقارب الإلكترونات الثقيلة — تخترق البلورة وتستشعر المجالات المغناطيسية الداخلية.

قطعة الوقود النووي داخل المفاعل ليست مجرد جسم صلب. عند التسخين، تبدأ ذرات اليورانيوم في "تحريك" عزومها المغناطيسية، وهذه الحركة تغير التوصيل الحراري وخصائص أخرى. في السابق، كان من شبه المستحيل حساب هذا السلوك بدقة: الحسابات الكمومية تتطلب موارد لا يمكن تصورها، والنماذج العادية لا تأخذ في الاعتبار الارتباط بين المغناطيسية واهتزازات الشبكة البلورية.

في المادة الصلبة، تتذبذب الذرات ناقلةً الصوت. أحيانًا لا تسير هذه الموجة في خط مستقيم، بل تتجعد في حلزون — كخيطٍ يُلف حول بَكرة. في البلورات العادية، تُعرف هذه "الدوامات الصوتية"، لكن في المواد المغناطيسية ظلت بعيدة المنال طويلًا. الآن، سمح التحليل الطيفي النيوتروني — وهو طريقة يسبر فيها شعاع من النيوترونات حركات الذرات ومغناطيسيتها — بالتقاط هذه الدوامات المراوغة.

تتصرف الإلكترونات في بلورة CrSb مثل سرب من الأسماك: داخل المادة، تندفع عبر "ممراتها" الخاصة، وعند الحدود مع الفراغ، ترتب نفسها في أنماط غريبة. هذه الأنماط هي سطح فيرمي (Fermi surface)، خريطة جميع السرعات المسموحة للإلكترونات. لا يمكن لمسه باليد، لكن يمكن "جسه" بمجال مغناطيسي.

مغناطيس يتكون من طبقات متراصة ككومة من الفطائر — هكذا تُبنى مادة CrSBr. عند درجات الحرارة المنخفضة، تكون كل طبقة ممغنطة، لكن الطبقات المتجاورة تتجه في اتجاهين متعاكسين، فتلغي مجالاتها المغناطيسية بعضها بعضاً. يُسمى هذا الترتيب بالمغناطيسية المضادة (antiferromagnetism)، وهو هش: يكفي تسخين المادة قليلاً حتى تزول مغنطتها. بحث العلماء عن طريقة لتقوية هذه الكومة بحيث تحتفظ بمغناطيسيتها عند درجات حرارة أعلى.

غشاء مغناطيسي مقسّم إلى خلايا صغيرة جدًا تشبه الأسهم، يتصرف مثل حشد في ساحة. ما دام الجو باردًا، تشير جميع الأسهم في اتجاه واحد — نظام مثالي. سخّن الغشاء، وستبدأ الأسهم في التحرك باضطراب، مثل المارة الذين فقدوا هدفهم. في مكان ما بين هذين الطرفين، هناك لحظة يتوقف فيها النظام عن كونه متجانسًا، لكنه لم يتحول بعد إلى ضجيج عشوائي.