تفاعل مغناطيسي

الدوامة في القرص المغناطيسي عادةً ما تتصرف مثل قمة دوّارة كبيرة: لكي لا تسقط، تحتاج إلى مساحة واسعة ومجال ذاتي قوي يعيدها إلى المركز. ولكن ماذا لو صغّرنا المساحة إلى حجم فيروس؟ عندها تختفي الدعامة المألوفة، ويجب أن تتفكك الدوامة. في العمل الجديد، اقترحوا دعامة مختلفة: الحدود الرقيقة بين المغناطيس والمعدن الثقيل تعمل كنابض يمسك الدوامة في مكانها حتى في قرص نصف قطره أقل من خمسة نانومترات.

يشبه الموصل الفائق أوركسترا تعزف دون أي نغمة خاطئة، حتى يدير قائد الأوركسترا مقبض الضبط. في هذا العمل الجديد، تبين أن هذا المقبض هو التاريخ المغناطيسي لتلامسات النيكل. صنع العلماء أغشية دقيقة فائقة التوصيل من أكسيدي LaAlO3 وSrTiO3، حيث تنشأ عند الحدود بين المادتين طبقة رقيقة من الإلكترونات الحرة، وهي غاز إلكترون ثنائي الأبعاد.

وزنان صغيران جدًا، كلٌّ منهما بوزن حبة رمل، معلّقان في الظلام عند درجة حرارة أبرد من الفضاء الخارجي. لا يلمسان بعضهما، لكن بينهما خيطًا غير مرئي — الجاذبية. التجربة التي يبنيها الفيزيائيون الآن تهدف إلى التقاط اللحظة التي يهزّ فيها هذا الخيط أحد الوزنين بسبب حركة الآخر.

الشوكة الرنانة التي تُضرب تصدر صوتًا نقيًا وطويلًا. لكن إذا هززت الشوكة نفسها قليلًا أثناء الرنين، سيبدأ الصوت في الاهتزاز ويخفت بسرعة. تقريبًا نفس الشيء يحدث للإلكترونات في أي قطعة من المادة. الذرات في الشبكة البلورية لا تبقى ساكنة أبدًا: فالاهتزازات الحرارية تجعلها ترتجف باستمرار.

وفقًا للنسبية العامة لأينشتاين، فإن الجسم الضخم الدوّار يجرّ معه نسيج الزمكان، تمامًا كما تجرّ الملعقة المُدارة في وعاء العسل الكثيف.

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.

يُمرَّر تيار كهربائي عبر نابض من الجزيئات العضوية — وعند الخرج نجد أن الإلكترونات تدور جميعها تقريبًا في اتجاه واحد. هذه الحيلة تُعرف بالانتقائية الحلزونية للسبين، وقد أرّقت الفيزيائيين طويلًا. في الذرات الخفيفة، يكون السبين (الدوران الذاتي للجسيم) مرتبطًا بحركة الشحنة بشكل ضعيف جدًا بحيث لا يكفي لضمان فرز شبه كامل.

في أوركسترا الذرات، لكل آلة مقطوعتها الخاصة. لكن في بعض الأحيان، يبدأ عازفان في العزف بتناغم — فيتضاعف الصوت عدة مرات. في العالم الكمومي، يُسمى هذا "التناغم" رنين فشباخ (Feshbach resonance). وهو يسمح بالتحكم في التفاعلات الذرية بدقة متناهية. رنين فشباخ ليس تطابقًا في النغمات، بل تطابقًا في الطاقات.

لاعب سيرك يرمي الهراوات وهو جالس على كرسي دوار. إذا بدأ بتدوير الهراوات جميعها في اتجاه واحد، سيدور الكرسي في الاتجاه المعاكس، وإلا انتهك قانون حفظ الدوران. هكذا تقريبًا يعمل تأثير أينشتاين-دي هاس: في قطعة حديد، يصطف الحقل المغناطيسي مغناطيسات صغيرة (اللفات)، وتدور القطعة بأكملها قليلًا.

حفنة من الأرز تُلقى في كوب ماء فتتناثر — تبتعد الحبات في كل اتجاه. والآن تخيل أن كل حبة تندفع بنفسها إلى الأمام بإصرار عنيد، وعند الاصطدام ترتد بلطف. تُسمى هذه الجسيمات نشطة (active particles): فهي تنفق طاقتها الخاصة في الحركة، مثل البكتيريا أو الروبوتات المجهرية. والمثير للدهشة أنها أحيانًا تتجمع في غيوم كثيفة — رغم عدم وجود أي قوى تجاذب بينها.

يحاول الفيزيائيون سماع همس في غرفة صاخبة. يبنون كشكًا عازلًا للصوت، ولكن حتى فيه، تنفُّسك ونبض قلبك يخلقان ضوضاء. هذا هو الحال تقريبًا في البحث عن علامات الجاذبية الكمية: يريدون رؤية كيف تربط الجاذبية بين جسيمين في كل واحد — أي تشابكهما. توضع الجسيمات في فراغ وتُغلَّف بشاشة موصلة لإزالة القوى الكهربائية.

داخل كل عصبون يوجد قناة طويلة رفيعة — المحور العصبي (الأكسون) — ينتقل عبره الإشارة من جسم الخلية إلى الخلايا الأخرى. ولكي تعمل هذه القناة، تتنقل عبرها باستمرار الميتوكوندريا — وهي عضيات صغيرة تنتج الطاقة. تتحرك في الاتجاهين، مثل السيارات على طريق ضيق.

تشبه البلورة كعكة محشوّة: طبقات من ذرات europium و gallium و aluminum تتناوب بترتيب صارم. عادةً، لا يُتوقع من هذه المواد أن تُدهش بمغناطيسيتها — فهي متناظرة للغاية. لكن داخل هذه البلورة اكتُشفت دوامات مغناطيسية تشبه دوّامات مائية صغيرة تنتظم في شبكات أنيقة.

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.

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.

سطح أوروبا درع جليدي تتعرض باستمرار لقصف الجزيئات المشحونة القادمة من الغلاف المغناطيسي للمشتري. تصطدم الإلكترونات بالشبكة البلورية للجليد، وتفقد طاقتها، وتطلق تفاعلات كيميائية. في السابق، لم تكن هناك أداة تُظهر مدى عمق هذا القصف في الجليد. الآن ظهرت.

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.

العزوم المغناطيسية في البلورة تشبه إبر البوصلات المثبتة في عقد الشبكة البلورية. في الحالة العادية، تصطف في نظام مرتب، لكن إذا ضربت البلورة موجة كهرومغناطيسية، تبدأ الإبر في الاهتزاز — مثل سنابل القمح تحت الريح. تُسمى هذه الاهتزازات ماغنونات (magnons)، وهي تنقل الطاقة دون انتقال الذرات نفسها.

يتم انقباض العضلات بواسطة نوعين من الخيوط البروتينية: خيوط الأكتين الرفيعة (الكربونية) وخيوط الميوسين السميكة التي تعمل كمحركات جزيئية. في حالة الراحة، يقوم بروتين واقٍ خاص بروتين - التروبوميوزين - بحجب مواقع ارتباط الميوسين على الأكتين.

يطير الحمام إلى منزله من مسافة مئات الكيلومترات. داخل رأسه، في أذنه الداخلية، يتحرك سائل — مثل الماء في زجاجة تهزها. عندما يتحرك الطائر، يتحرك السائل أيضًا، وهذا يساعده على الحفاظ على توازنه. مؤخرًا، افترض العلماء: ربما يعمل هذا السائل نفسه كمولد صغير. فالحركة عبر المجال المغناطيسي للأرض تولد تيارًا كهربائيًا ضعيفًا، ويحدد الحمام من خلاله الاتجاه الذي يجب أن يطير إليه.

داخل كل خلية يوجد هيكل من الخيوط، مثل السقالات التي تمنحها شكلها وتسمح لها بالحركة. تربط هذه الخيوط بروتينات رابطة: بعضها يمسكها معًا فقط، مثل الحبال، والبعض الآخر يعمل كمحركات صغيرة تزحف على الخيوط وتسحبها نحو بعضها البعض. تعتمد قدرة الخلية على الانقسام أو الزحف أو تغيير شكلها على مدى انسجام عمل هذا الفريق.

إذا ألقيت حجرًا في بركة، ستنتشر دوائر على سطح الماء. في المغناطيسية也存在 موجات — لكن ما يهتز ليس جزيئات الماء، بل اتجاهات أسهم العزوم المغناطيسية للذرات. تُسمى هذه الموجات بالماغنونات (magnons)، ومن سلوكها يمكن فهم الكثير عن القوى غير المرئية بين الذرات. في التجربة الجديدة، تم تمرير شعاع من النيوترونات عبر بلورات Na₂IrO₃ — وهو مركب من الصوديوم والإيريديوم والأكسجين.

بلورة Ca2RuO4 تشبه رزمة من الأوراق الرقيقة. داخل كل ورقة، تصطفّ لفات الإلكترونات (spins) بترتيب صارم — كصفوف الجنود في الميدان. بين الأوراق يكون الترابط ضعيفاً، ويمكن قلب إشارته بمدّ البلورة قليلاً من الجانبين. عند مدّ البلورة، تتغيّر إشارة هذا التلامس البيني الضعيف، فيُعاد ترتيب النمط المغناطيسي كله.

يسقط شعاع ضوء مستقطب دائريًا على بلورة بيروفسكايت MAPbI3. تبدأ الإلكترونات داخل البلورة في التصرف مثل قمم دوارة صغيرة، تستوي محاورها على طول الشعاع. تُعرف هذه الظاهرة بالتوجيه البصري للسبينات. عند درجة حرارة حوالي 4 كلفن (أي 269 درجة مئوية تحت الصفر)، طبق العلماء مجالًا مغناطيسيًا ورأوا كيف تفقد السبينات اتجاهها.

في وعاء به سائل زيتي، تسبح ملايين الحبيبات المغناطيسية الدقيقة، كل منها بحجم بكتيريا. شغّل المغناطيس، فتصطف الحبيبات مثل جنود مطيعين في خيوط طويلة. لكن لماذا تشكل خيوطًا وليس كتلًا؟ اتضح أن الأمر لا يتعلق بالمغناطيسية فقط. كل جسيم، أثناء تحركه في السائل، يجر معه تدفقًا، مثلما يترك المجذاف دوامات خلفه في الماء.

كرة القدم التي تُركل بلفّة لا تطير في خط مستقيم، بل ينحني مسارها جانبًا. تقريبًا بنفس الطريقة يتصرف شعاع الضوء إذا تم تركيزه بشدة: يبدأ بدفع الذرة ليس فقط إلى الأمام، بل أيضًا إلى الجانب. الفيزيائيون قاسوا هذا الإزاحة على أيون كالسيوم مفرد محبوس في مصيدة ضوئية. كان الشعاع موجّهًا نحو الذرة مثل كشاف ضوئي على حبة رمل.

وتران مشدودان، إذا نقر عليهما في الوقت نفسه، يصدران صوتًا مختلفًا إذا رُبطا بشريط مطاطي. تبدأ الطاقة بالانتقال من أحدهما إلى الآخر، ويتغير ارتفاع الصوت الكلي قليلًا. وهذا تقريبًا ما يحدث مع جسرين نانوميكانيكيين — وهما جسران مجهريان محفوران في بلورة. يهتزان بترددات أعلى بملايين المرات مما تلتقطه الأذن، ويرتبطان معًا ليس بشريط مطاطي بل بقوى كهربائية.

الفضاء بين سطحين متقاربين ليس فراغًا خالصًا، بل «غراء كمومي» يغلي. فيه تولد وتفنى باستمرار تقلبات كمومية — دفقات طاقة مجهرية للحقول الكهرومغناطيسية، والتي وفقًا للنظرية الكمومية تمنح الفراغ بنية ديناميكية.

عند درجة حرارة 78 كلفن، تتحول بلورة Mn₃Si₂Te₆ إلى ملف حثّي لا يحتاج إلى سلك نحاسي ولا إلى موصل فائق. فالإلكترونات داخلها تنظم نفسها تلقائيًا في دوامات مغلقة باتجاه دوران محدد، وهي التيارات المدارية الحلزونية.

في عام 2022، لاحظ الفيزيائيون كيف تُزيح الجاذبية طور موجة ذرة مفردة، وهو تأثير أهارونوف-بوم للجاذبية. أصبحت هذه التجربة جزءًا من نقاش طويل: هل يجب تكميم الجاذبية، أم ستبقى خلفية كلاسيكية في العالم الكمومي؟ الطريق المباشر للإجابة هو جعل جسيمين ضخمين يتشابكان فقط بفعل الجاذبية.

في عمق الألماس توجد عيوب صغيرة جدًا — أماكن استُبدل فيها ذرة كربون بذرة نيتروجين، وبجانبها فراغ. هذه العيوب، مثل المنارات، يمكنها تخزين ونقل المعلومات الكمومية. لكن حولها تعصف عاصفة مغناطيسية: نوى الذرات في البلورة تهتز، مما يسبب تداخلًا. تغرق الإشارة في الضجيج. وجد مؤلفو الدراسة طريقة لاختراق هذه الفوضى.