تأثير مغناطيسي حراري

في نجم مزدوج، يسحب القزم الأبيض الغاز من النجم المجاور مثل المكنسة الكهربائية. إذا كان للقزم مجال مغناطيسي، فإن الغاز لا يسقط في أي مكان، بل يتدفق نحو القطبين مثل برادة الحديد نحو المغناطيس. وهناك يتراكم على شكل كومة. ولكن ما الذي يمنع هذه الكومة من الانتشار؟ خطوط القوة المغناطيسية التي تخترقها مثل حبال غير مرئية.

على الطاولة قطعة من الغرافيت نُمّيت من الغاز، مثل الترسب على جدار المفاعل. عادةً، هذا النوع من المواد لا يصلح لتحويل الحرارة إلى كهرباء: بداخله، تجري الإلكترونات والثقوب في اتجاهين متعاكسين وتلغي بعضها البعض. لكن إذا وُضعت هذه القطعة في مجال مغناطيسي وسُخّنت من أحد أطرافها، تبدأ الشحنات بالتحرك في اتجاه واحد، مثل حشد يوجّهه شرطي إلى مخرج واحد.

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.

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.

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.

عمال الكهرباء الذين يتعاملون مع الجهد العالي يشبهون الغواصين: يحتاجون إلى رؤية ما يحدث في الأعماق دون النزول بأنفسهم. لهذا يحتاجون إلى مستشعر يبقى بعيدًا عن التيار الخطير وينقل المعلومات إلى السطح. عادةً ما يُستخدم الضوء لهذا الغرض: يمر شعاع عبر بلورة شفافة، ويقوم المجال الكهربائي بتدوير مستوى استقطابه قليلاً—وهذا ما يُعرف بتأثير بوكلز (Pockels effect). لكن لهذه الطريقة نقطة ضعف: فهي حساسة للمجالات الخارجية والضوضاء.

في قدرٍ يغلي فيه الحساء، تطفو حبيبات الدهن الخفيفة إلى السطح، بينما تستقر قطع الخضار الثقيلة في القاع. صورة مماثلة – الانفصال الجاذبي – تُلاحظ في الغاز الساخن المخلخل حول الشمس وغيرها من النجوم، لكن بدل المرق، هناك خليط من الجسيمات المشحونة: الإلكترونات والبروتونات وجسيمات ألفا (نوى الهيليوم، المكوّنة من بروتونين ونيوترونين).

في الإكليل الشمسي — الغلاف الخارجي الرقيق جدًا والساخن للشمس — تُلاحظ أحيانًا ظاهرة مدهشة: المطر الإكليلي. لكن بدلًا من الماء، تهطل من السماء بلازما — غاز متأين يتكون من جسيمات مشحونة.

تيار الأيونات عبر الغشاء يشبه طابورًا أمام بوابة دوّارة. أحيانًا تكون البوابة حرة — فتمر الأيونات بسرعة. وأحيانًا تتعطل — فينخفض التدفق. المجال المغناطيسي الضعيف، كما اتضح، لا يدفع الأيونات من الخلف، بل يغيّر ببساطة عدد البوابات المفتوحة. بنى المؤلفون نموذج توازن حيث يمكن أن تتواجد قناة النقل في عدة حالات — بعضها يوصل التيار والبعض الآخر لا.

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.

في السحب الهائلة من الغاز المخلخل التي تملأ الفضاء بين النجوم، يغلي شيء ما باستمرار. انفجارات المستعرات العظمى، والتيارات المتصادمة — كل ذلك يهزّ البلازما. وفي هذه التموّجات، كما تبيّن، يختبئ آلية توليد الحقول المغناطيسية.

في أعماق الأرض، يكون الحديد محمّىً إلى درجة البياض، والضغط هناك هائل لدرجة أن أي جهاز عادي سينسحق. للنظر إلى هذا العالم، صنع الفيزيائيون مجهرًا خاصًا يعتمد على عيوب ماسية متناهية الصغر (تُسمى مراكز NV). هذه العيوب تتوهج بشكل مختلف اعتمادًا على المجال المغناطيسي المحيط بها، ويمكنها العمل حيث تتعطل الإلكترونيات العادية.

التضخم هو التمدد فائق السرعة للكون في اللحظات الأولى. سببه حقل يشبه كرة تتدحرج من أعلى تل. لكن ربما كان هناك أيضًا حقل ثانٍ، شبه مخفي. درس مؤلفو العمل هذه الحالة بالضبط: حقل خفيف — الأكسيون — متجمد عند قمة كمونه. طالما استمر التضخم، لم يتحرك الأكسيون ولم يؤثر على شيء. ولكن بمجرد أن أنهى الحقل الرئيسي عمله، بدأ الأكسيون بالحركة.

في أعماق الأرض، داخل طبقات الجرانيت، تلتقط الكواشف ضيوفًا نادرين قادمين من الفضاء — الميونات. تولد هذه الجسيمات عاليًا في الغلاف الجوي عندما تصطدم الأشعة الكونية بأنوية الهواء. تساعدها سرعة هائلة قريبة من سرعة الضوء على الوصول إلى المختبر تحت الأرض.

إذا سخّنت مسمارًا في النار، فسوف يستطيل — وهذا يعرفه الجميع. لكن إذا سخّنت طرفه فقط وتركت الآخر باردًا، فلن يصبح المسمار أطول فحسب: بل سينحني، لأن المعدن الساخن يتمدد أكثر من المعدن البارد. هذا الانحناء نفسه، لكن على المستوى الذري، هو ما حوّله الفيزيائيون إلى كهرباء. في العوازل — الزجاج والبلاستيك والسيراميك — لا توجد إلكترونات حرة تقريبًا، لذا فإن التأثير الكهروحراري (thermoelectric effect) المعتاد لا يعمل هناك.

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.

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.

إذا ضغطت قطعة معدنية عادية، فإنها تسخن — وهذا معروف حتى لمن نفخ إطار دراجة. ولكن ماذا يحدث إذا ضغطت مغناطيسًا ترفض فيه الأسهم الذرية أن تستقر حتى عند الصفر المطلق؟ قررت مجموعة من الفيزيائيين اختبار ذلك على بلورات خاصة — مغناطيسات محبطة (frustrated magnets)، حيث تكون العزوم المغناطيسية للذرات (بوصلات صغيرة) مرتبة في شبكة مثلثية ولا تستطيع أن…

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.

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.

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.

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.

بلورة تشبه كومة من الفطائر الرقيقة وُضعت على ركيزة ناعمة من أكسيد المغنيسيوم. فنتج غشاء بسمك مئات الذرات. وعندما مررنا فيه تيارًا كهربائيًا وشغّلنا المغناطيس، زادت المقاومة بنحو الربع تقريبًا — بنسبة 22.5% عند مجال 9 تسلا. داخل الغشاء، تنقل الكهرباء تياران من الجسيمات. بعضها سريع وخفيف، مثل راكبي الدراجات النارية على طريق مفتوح. والبعض الآخر بطيء وثقيل، مثل الشاحنات في زحام مروري.

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.

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 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.

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.

البلازما الكونية ليست غازًا هادئًا، بل هي حساء يغلي من الجسيمات المشحونة، تخترقها الحقول المغناطيسية. تتصرف هذه الحقول مثل الأشرطة المطاطية المشدودة: أحيانًا تتمزق ثم تعيد الاتصال فورًا، ولكن بطريقة مختلفة. هذه العملية، التي تسمى إعادة الاتصال المغناطيسي، تحرر طاقة هائلة.

تأثير ميمبا هو مفارقة فيزيائية يتجمد فيها الماء الساخن أسرع من البارد في ظروف معينة. لفهم الآلية، بنى العلماء نموذجًا مبسطًا: تخيل كرة تتحرك في وسط لزج يشبه العسل، على تضاريس ذات حفرتين للطاقة الكامنة — «الحفر» — وجدار عمودي على الحافة. حركة الكرة لزجة، فهي لا تستطيع تجاوز الحاجز المركزي للطاقة — التلة التي تفصل بين الحفرتين.

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.

بعد 380 ألف سنة من الانفجار العظيم، برد الكون بدرجة كافية لتتحد الإلكترونات والبروتونات لأول مرة في هيدروجين متعادل. وعلى الرغم من أن هذا الحدث يُسمى إعادة الاتحاد، إلا أنه كان في الواقع اللقاء الأول — فقبل ذلك كانت الحرارة الشديدة تمنع الجسيمات من الالتصاق.

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.

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.

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.

ليزر قوي يضرب هدفًا صغيرًا جدًا، فيتحول فورًا إلى سحابة من الغاز شديد الحرارة، وهي البلازما. داخل هذه السحابة تتولد مجالات مغناطيسية تلقائيًا. إنها، مثل أيادٍ غير مرئية، تمنع الحرارة من الهروب بحرية من المركز الساخن. ولهذا السبب تُعتبر هذه المجالات مهمة للاندماج النووي الحراري — العملية التي تغذي الشمس والتي يحاول البشر ترويضها على الأرض.

بلورة CeB6 تشبه صندوقًا يحمل سرًا: بداخلها، يمكن للإلكترونات أن تشغل أربعة مواضع شبه متطابقة، مثل أربعة كراسي حول طاولة. وبينما لا يراقبها أحد، يبدو الإلكترون وكأنه يجلس على الأربعة جميعًا في آن واحد. هذه الحالة الخفية يسميها الفيزيائيون "الحالة الرباعية القطب" (quadrupole)، وهي تؤثر على الخصائص المغناطيسية، لكن من الصعب رؤيتها مباشرة. وجد العلماء طريقة لجعل هذه البلورة "تتكلم".

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.

تشبه بلورة Co2SeO3Cl2 كعكة طبقات، حيث كل طبقة عبارة عن شبكة قرص عسل منحنية من ذرات الكوبالت. عند التبريد إلى 25.4 كلفن (−247.75 درجة مئوية)، تبدأ العزوم المغناطيسية للذرات في الاصطفاف مثل إبر البوصلة، ولكن ليس دفعة واحدة، بل على أربع مراحل: عند 25.4 و16.8 و11 و3 كلفن. كل مرحلة هي نمط جديد من النظام المغناطيسي.

يشبه المجال المغناطيسي ظل الجسم: فهو يتغير مع شكل المصدر. لكن إذا وضعتَ عدسة في مسار الضوء، يمكنك تغيير الظل. وهكذا هنا: ابتكر المؤلفون «عدسة» للمجال المغناطيسي — مجموعة من المواد العادية ذات نفاذية مغناطيسية مختلفة (القدرة على تمرير المجال).