انتقال مغناطيسي

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.

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.

النيوترون هو جسيم يستقر عادة في نواة الذرة ولا يختفي. لكن بعض النظريات تفترض أنه قد يتحول أحيانًا إلى توأم غير مرئي — جسيم افتراضي لا يمكن التقاطه بواسطة أجهزة الكشف العادية. إذا حدث هذا، فسيفسر ما تتكون منه المادة المظلمة — المادة الغامضة التي لا تصدر ضوءًا ولكنها تمسك المجرات بجاذبيتها وتمنعها من التمزق.

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.

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.

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.

البلورة كالمدينة: إذا كانت الشوارع معوجة، تتعطل الحركة. في البلورة، تلعب الصفوف الذرية دور الشوارع، والحركة هي تدفق الإلكترونات. أي تفاوت بسيط، أو شائبة، أو إزاحة ذرة يجعل الإلكترونات تتبعثر. تعلم علماء من عدة مختبرات زراعة بلورات بحيث تصبح "الشوارع" مستقيمة بشكل شبه مثالي. الطريقة تسمى النقل الأفقي للمادة. تُنقل المادة ببطء على طول السطح، وتتاح للذرات فرصة لاحتلال أماكنها الصحيحة.

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.

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.

على النجم النيوتروني — وهو البقايا فائقة الكثافة لنجم منفجر — يسقط الغاز. يتراكم هذا الغاز عند القطبين المغناطيسيين مكوّناً جبلاً. لكن الجبل على النجم النيوتروني لا يشبه الجبال الأرضية: فهو لا يُثبَّت بالصخر، بل بخطوط المجال المغناطيسي، مثل برادة الحديد على مغناطيس. عندما يزداد الغاز أكثر من اللازم، يبدأ الجبل في الانهيار.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

إذا وضعت قطعة معدنية عادية في مجال مغناطيسي قوي، فإنها تسخن قليلاً. لكن بعض المواد تتصرف بعكس ذلك تمامًا، فتبرد. يُسمى هذا التأثير بالتأثير المغناطيسي الحراري (magnetocaloric effect)، وتُبنى عليه ثلاجات المستقبل الخالية من الفريون.

إذا قمت بتسخين أحد طرفي موصل وتركت الطرف الآخر باردًا، تبدأ الإلكترونات بالتدفق من الساخن إلى البارد. عادةً، يولّد هذا جهدًا كهربائيًا على طول الموصل — مثل الماء الذي يتدفق في قناة مائلة. لكن في بعض المواد، تنحرف الإلكترونات جانبًا، وينشأ الجهد الكهربائي بالعرض. هذا يشبه مشعوذًا ينفخ على كرة فتهرب ليس إلى الأمام بل إلى الجانب. هذا الاستجابة الجانبية تُسمى التأثير الكهروحراري العرضي.

الغشاء الرقيق من مركب المنغنيز والبزموت والتيلوريوم يشبه كعكة الطبقات: كل طبقة هي مستوى ذري، والعزوم المغناطيسية داخل الطبقة مصطفة مثل إبر البوصلات. عند درجة حرارة الغرفة، تحافظ هذه الإبر على اصطفافها، لكن يكفي تسخين العينة إلى 45°م فقط حتى يبدأ النظام في التفسخ. العيوب العشوائية في البلورة تعمل كمغناطيسات صغيرة تجذب الإبر المجاورة في اتجاهات مختلفة.

جسيمات متناهية الصغر أصغر من جزء من مائة من سمك الشعرة يمكن أن تكون مغناطيسات لا تفقد قوتها حتى عند 600 درجة مئوية. هذه الجسيمات بالضبط صُنعت من سبيكة النيكل والحديد والألومنيوم. السبيكة معروفة منذ زمن طويل، لكن تم الحصول عليها في شكل جسيمات نانوية دون قوالب – فقط بخلط محاليل أملاح المعادن.

عند تبريد بلورة Fe₄Nb₂O₉ إلى -272°C، تتحول إلى نمط مغناطيسي لا تصطف فيه الأسهم الذرية في صف واحد، بل تتباعد كالمروحة. الأمر أشبه بحشد من الناس يتجمدون، لكن كل واحد ينظر في اتجاهه الخاص، وليس إلى قفا جاره. هذا الترتيب للعزوم المغناطيسية يُسمى غير الخطي (noncollinear)، وهو، كما اتضح، المسؤول عن السلوك غير العادي لهذه المادة. قام العلماء بتشعيع العينة بالنيوترونات وتتبع الأشعة المنعكسة.

تم تبريد البلورة إلى 228 درجة مئوية تحت الصفر — وظهر على سطحها نمط يشبه الصقيع على الزجاج. لكن الذي يرسمه ليس الرطوبة، بل المجال المغناطيسي: جسيمات حديدية متناهية الصغر معلقة في سائل تترسب على المناطق الممغنطة وتُظهر مواقعها. هكذا تعمل الطريقة التي استخدمها مؤلفو الدراسة. تبين أن النمط ذو طابقين. أولاً، تظهر بقع كبيرة — مناطق تشير فيها أسهم الذرات المغناطيسية إلى اتجاه واحد.

الغرافين هو صفيحة من الكربون بسمك ذرة واحدة. إذا قُطعت إلى شرائح ضيقة، نحصل على شرائح الغرافين النانوية. تعتمد خصائصها على طريقة قص الشريط: فمن قطعة قماش واحدة يمكن خياطة مفرش طاولة أملس أو تنورة مجعدة. في العمل الجديد، صنع الكيميائيون شريطاً غير متماثل الشكل. فيه، وجدت جميع الإلكترونات الحرة على جانب واحد — كما لو أن جميع الضيوف في حفلة تجمعوا حول طاولة واحدة.

ظلّ أورانوس ونبتون يحيران علماء الكواكب لفترة طويلة: فمجالاتهما المغناطيسية تميل بشدة عن محور الدوران وتتميز ببنية متعددة الأقطاب معقدة، لا تشبه إطلاقًا ثنائي القطب البسيط نسبيًا لمجال الأرض. يكمن الحل في طور غير عادي من الماء — وهو الجليد فائق الأيونية، الذي وفقًا للنماذج يملأ أعماق هذين العملاقين الجليديين.

المغناطيس المثبت على الثلاجة يعتمد على إبر داخلية صغيرة جدًا، كل منها يشبه بوصلة مصغرة. إذا ضربنا المعدن بومضة ضوء قصيرة جدًا، تبدأ هذه الإبر في التحرك بشكل عشوائي، وتختفي المغناطيسية خلال جزء من مليون من مليار جزء من الثانية. في السابق، كان هذا "الاختفاء" أسرع من أن يُرى. الآن ظهرت أشعة ليزر سينية تُطلق ومضات أقصر من الزمن الذي يستغرقه خطوة واحدة للذرة.

عادةً، لقلب مغناطيس في جهاز ذاكرة، تُستخدم معادن ثقيلة مثل البلاتين أو التنجستن. إلكتروناتها، عند مرور التيار، تنحرف جانبياً كحشد على سلم متحرك، وينقل هذا الانحراف عزمًا دورانيًا إلى الطبقة المغناطيسية. لكن المعادن الثقيلة باهظة الثمن وتفقد الكثير من الطاقة على شكل حرارة. الآن، استبدل الباحثون المعدن الثقيل بمعدن خفيف — نيتريد الفاناديوم (VN).

ثنائي سيلينيد النيوبيوم مادة طبقية توصل التيار دون مقاومة عند درجات حرارة منخفضة. إذا تم نسج ذرات النيكل بين طبقاتها، مثل خيوط إضافية في نسيج، تختفي الموصلية الفائقة. ويحل محلها عشوائية مغناطيسية متشابكة: "الأسهم" المغناطيسية للنيكل لا تستطيع الانتظام في نمط بسيط، لأن كل جار يتطلب اتجاهًا معاكسًا.

تنخفض درجة حرارة الغرفة بضع درجات بينما يعمل الثلاجة بدون أي ضاغط متحرك. في الداخل ليس فريونًا، بل قطعة معدنية تُمغنط وتُزيل مغنطتها بالتناوب. هذا هو مبدأ التبريد المغناطيسي: عند تطبيق مجال مغناطيسي ترتفع حرارة المادة، وعند إزالته تبرد. تتكرر الدورة آلاف المرات، وتنتقل الحرارة خارج الحجرة. الفكرة ليست جديدة، لكنها حتى الآن تصطدم بتكلفة المادة العاملة.