مغناطيسية كمومية

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 ورشة الطبيعة، توجد آلة غريبة: تقطع سنونًا على البراغي، لكنها تمنع اليسار. يمكن لف البرغي بأي قوة، وفي أي اتجاه مع عقارب الساعة، لكن ضد عقارب الساعة ممنوع. هذه الآلة ليست خيالًا، بل قاعدة كمومية دقيقة بناها الفيزيائيون للتو للمواد المغناطيسية. في المغناطيس، السبينات (spins) — أسهم مغناطيسية صغيرة للذرات — تترتب وفق قواعد محددة.

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.

كرة مغناطيسية صغيرة تطفو في الفراغ، محتجزة بحقول غير مرئية. تبدأ بالدوران حول محور المجال المغناطيسي، تمامًا كقمة دوارة دُفعت بلطف. هذا هو الاستباقية (precession). لكن عندما تصبح الكرة صغيرة جدًا، تدخل القوانين الكوانتية على الخط.

أرضية خشبية (باركيه) حيث كل لوح ثانٍ مُدار في الاتجاه المعاكس تبدو متناظرة. لكن إذا مررت يدك، ففي اتجاه واحد تنزلق أصابعك مع الألياف، وفي الاتجاه الآخر تتعثر. بهذه الطريقة تقريبًا يعمل نوع جديد من المغناطيسية تمت دراسته في بلورة AgCrP2S6. في هذه المادة الطبقية، تصطف ذرات الكروم في سلاسل طويلة — مثل خيوط الخرز.

داخل الكواكب والنجوم، في محيطات البلازما الدوارة، تتصادم التدفقات المضطربة وقوى كوريوليس والتوتر المغناطيسي. اللغز الرئيسي هو كيف تتبلور طاقة هذه الفوضى في إطار مغناطيسي مستقر قادر على البقاء لمليارات السنين. لطالما شبهت عمليات البحث مطاردة شبح: حتى أن لودفيغ بولتزمان كان يأمل في العثور على تكاملات مخفية في النظرية الحركية، لكنه فشل.

السائل فائق السيولة يتدفق دون احتكاك — مثل ماء لا يتوقف أبدًا. لكن إذا جُعل يدور، فإنه لا يكتفي بالدوران: فكل دوامة صغيرة تتذكر كيف دُوّرت بالضبط. هذا «الأثر» ليس مجازًا، بل بصمة هندسية حقيقية يسميها الفيزيائيون طور بيري (تراكم طور الموجة عند الحركة على مسار مغلق). مايكل بيري أظهر أن هذه الأطوار تظهر في كل مكان — من البندولات إلى الأنظمة الكمومية.

في عالم المغناطيسية، سادت لفترة طويلة ثنائية بسيطة: المغناطيسات الحديدية، حيث تشير السبينات في اتجاه واحد، والمغناطيسات المضادة، حيث تصطف السبينات بنمط متناوب كرقعة الشطرنج، ملغيةً بعضها البعض. لكن لاعبًا ثالثًا حديثًا — المغناطيسات المتناوبة — أجبر على إعادة كتابة القواعد.

مباشرة بعد الانفجار العظيم، كان الفضاء بلازما حارة — مزيجًا من جسيمات مشحونة وضوء. في مثل هذا الوسط، لم تكن التيارات الكهربائية لتتدفق من تلقاء نفسها: كانت هناك حاجة إلى «فرق جهد» يدفع الإلكترونات بالنسبة إلى الفوتونات. وهذا بالضبط ما يبحث عنه المنظرون في التولد المغناطيسي الكوني — نشوء الحقول المغناطيسية الأولى.

المغناطيس العادي يشبه البوصلة: الإبرة تشير إلى الشمال. لكن البوصلة الكمومية قادرة على النظر في كلا الاتجاهين في وقت واحد. إذا تم تدوير مغناطيس عائم في الفراغ بحذر، فإن إلكتروناته التي تشبه 'الدوامات' تتزامن بحيث تبدأ قطعة المعدن بأكملها بالعيش وفق قوانين العالم الصغير - تستقر في حالة تراكب، كمؤشر منقسم.

يزداد المجال المغناطيسي — بينما تبقى المغناطيسية ثابتة في مكانها. وكأنها ميزان يُضاف إليه ثقل ولا تتحرك الإبرة حتى يتراكم ما يكفي ليقفز إلى العلامة التالية. هكذا تتصرف بلورات رباعي البوريدات الأرضية النادرة، ولم يتمكن الفيزيائيون لعقود من فهم السبب. داخل هذه البلورات، توجد أيونات المعادن الأرضية النادرة في عقد شبكة هندسية خاصة — شبكة شاستري-ساذرلاند، التي تشبه أرضية من المربعات والمثلثات.

حفنة من العملات النحاسية المبعثرة على شبكة مثلثية تتجمد في نظام غريب عند تمرير تيار كهربائي عبرها. هذا تقريبًا ما تفعله الإبر المغناطيسية الصغيرة — سبينات الإلكترونات — في بلورة تحمل اسمًا نادرًا: Y-كابيلاسيت. ذرات النحاس فيه مرتبة بنمط كاغومي (سلة منسوجة من مثلثات وسداسيات)، حيث يريد كل سبين أن يتجه عكس جاره، لكن الهندسة تمنعهم من الاتفاق.

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 حبات الأرز تسقط على مقلاة ساخنة — فتقفز. كل حبة تدفع جاراتها، والكتلة كلها تتحرك دون يد خارجية. هذا هو المادة النشطة: عدد كبير من الجسيمات التي تستمد الطاقة بنفسها وتحولها إلى حركة. حتى الآن، درس الفيزيائيون هذه "الرقصة" وفق قوانين نيوتن، دون أن يتذكروا ميكانيكا الكم.

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.

مغناطيس صغير، مبني من جزيئين فقط، استقر على سطح معدن — وتصرف كقائد أوركسترا متقلب. عادةً، تتحرك الإلكترونات في المعدن بتناسق، مثل حشد على سلم متحرك. لكن عند التبريد الشديد، ينهار هذا النظام، وتصبح الحركة غير متوقعة. هذا بالضبط ما تم رصده في التجربة الجديدة. التقلبات العشوائية في اللف المغزلي للجزيء تجعل إلكترونات المعدن تعيد ترتيب نفسها.

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.

النواة الذرية ليست مجرد كرة من البروتونات والنيوترونات. ففي داخلها، كما في مغناطيس صغير، توزيع خاص للمغناطيسية. حتى وقت قريب كان من الصعب رؤيته: فالنوى تعيش أجزاء من الثانية، ومجالها المغناطيسي ضعيف. الآن وجد فيزيائيون من سيرن طريقة للنظر إلى الداخل. أخذوا نظير البوتاسيوم-47 قصير العمر ووضعوه في مجال مغناطيسي قوي.

المغناطيس المسطح يشبه ورقة رقيقة تجري عليها موجات التمغنط. في الظروف العادية، تخمد هذه الموجات بسرعة، لكن عند تشغيل مجال مغناطيسي قوي، تظهر في المادة إشارة غير متوقعة — واضحة وضيقة، وكأنها ظل للموجة الأساسية. عرّض العلماء بلورة CuF2(D2O)2(pyz) للنيوترونات وراقبوا كيف يتغير التشتت عند مجالات مختلفة.

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.

الذرات المغناطيسية في الأجسام الصلبة تشبه إبر البوصلة: عادةً عند التبريد، تستقيم في اتجاه واحد — وهكذا ينشأ المغناطيسية. لكن في مادة TbInO3، تجلس إبر التربيوم على شبكة مثلثية حيث يستحيل إرضاء جميع الجيران في آنٍ واحد. إبرة تريد أن تتجه نحو الشمال، وأخرى نحو الجنوب، وفي النهاية لا تستطيع أيٌّ منها أن تستقر في وضع ثابت.

المادة فائقة التوصيل العادية تطرد المجال المغناطيسي، لكن هذه الحلقة، على العكس، تولّد مجالًا مغناطيسيًا بداخلها. الحلقة مصنوعة من مادة Fe(Te,Se) — مركب من الحديد والتيلوريوم والسيلينيوم، يفقد مقاومته الكهربائية عند درجات حرارة منخفضة جدًا.

شريط مطاطي عادي محشو ببرادة حديد دقيقة لا ينحني فقط في مجال مغناطيسي — بل يعقد نفسه في عقدة مستقرة. هذا التأثير تنبأ به وأعاد إنتاجه في تجربة فيزيائيون عملوا مع مطاط مغناطيسي نشط (magnetoactive elastomer): قاعدة سيليكونية تحتوي على جزيئات كربونيل الحديد.

نهر هادئ يبدأ فجأة بالغليان في مكان مستوٍ — هكذا تبدو اللغز الذي تناوله مؤلفو العمل الجديد. أخذوا طبقة رقيقة من الغاز المشحون بحقل مغناطيسي ضعيف جدًا وتتبعوا على الحاسوب ما سيحدث لها. في البداية، يتدفق كل شيء بسلاسة، مثل الماء من الصنبور. ثم في مكان ما، تصبح الطبقة أرق، وتبدأ خطوط المجال المغناطيسي التي كانت متوازية في السابق بالتمزق وإعادة الاتصال.

تضرب وميض ليزري بلورة أكسيد النحاس، فتنتشر فيها موجات من الإثارة المغناطيسية — الماغنونات — مثل الدوائر في الماء. ولأول مرة، تتبع العلماء مسارها من الولادة إلى الاختفاء بدقة تصل إلى الفيمتوثانية (أجزاء من مليون من مليار الثانية). في البداية، يزيح الضوء الإلكترونات، وتفقد العزوم المغزلية للذرات (مغناطيساتها الداخلية) انتظامها فورًا.

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.

في المغناطيس العادي، تشير جميع اللفات المغزلية للإلكترونات (وهي «أسهم» مغناطيسية داخلية، اكتشفها العالم باولي) في اتجاه واحد. أما المغناطيسات المتناوبة، مثل MnTe، فهي أكثر تعقيداً: اتجاه هذه الأسهم يتناوب، كما تتماوج المياه عند إلقاء حجر. لكن هذا التموج ليس عادياً، فهو ناتج عن حركة الإلكترونات نفسها.