نجح الباحثون في جامعة بازل والمعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ في تغيير قطبية مغناطيس حديدي خاص باستخدام شعاع الليزر. وفي المستقبل، يمكن استخدام هذه الطريقة لإنشاء دوائر إلكترونية قابلة للتكيف مع الضوء.
في المغناطيس الحديدي، تعمل القوى المشتركة. لكي تشير إبرة البوصلة إلى الشمال أو يلتصق مغناطيس الثلاجة بباب الثلاجة، يدور داخلها عدد لا يحصى من الإلكترونات، كل منها يخلق مجالًا مغناطيسيًا صغيرًا فقط، ويجب أن تصطف جميعها في نفس الاتجاه. ويحدث هذا من خلال التفاعلات بين الدورات، والتي يجب أن تكون أقوى من الحركة الحرارية المضطربة داخل المغناطيس الحديدي. إذا كانت درجة حرارة المادة أقل من القيمة الحرجة، فإنها تصبح مغناطيسية حديدية.
على العكس من ذلك، لتغيير قطبية المغناطيس الحديدي، يحتاج المرء عادةً إلى تسخينه أولاً فوق درجة حرارته الحرجة. يمكن لدوران الإلكترون بعد ذلك إعادة توجيه نفسه، وبعد التبريد، يشير المجال المغناطيسي للمغناطيس الحديدي في النهاية إلى اتجاه مختلف.
لقد تمكن الآن فريق من الباحثين بقيادة البروفيسور الدكتور توماس سمولينسكي من جامعة بازل والبروفيسور الدكتور أتاك إمام أوغلو من ETH في زيورخ من تحقيق مثل هذا -إعادة التوجيه باستخدام الضوء فقط-دون أي تدفئة. ونشروا نتائجهم فيطبيعة.
التفاعلات والطوبولوجيا
يقول إمام أوغلو: "الأمر المثير في عملنا هو أننا نجمع بين المواضيع الثلاثة الكبرى في فيزياء المادة المكثفة الحديثة في تجربة واحدة: التفاعلات القوية بين الإلكترونات، والطوبولوجيا، والتحكم الديناميكي".
ولتحقيق ذلك، استخدم الباحثون مادة خاصة تتكون من طبقتين رقيقتين-من شبه الموصل العضوي ثنائي تيلوريد الموليبدينوم، والتي تكون ملتوية قليلاً بالنسبة لبعضها البعض.
في مثل هذه المواد، يمكن أن يتشكل ما يسمى بالحالات الطوبولوجية. ببساطة، يمكن وصف الحالات الطوبولوجية بناءً على شكلها: كرة (بدون ثقب) أو كعكة دونات (ثقب واحد). والأهم من ذلك، أنه لا يمكن تحويل الكرة إلى كعكة دونات عن طريق تشوه بسيط، مما يعني أن الحالات الطوبولوجية محددة بشكل لا لبس فيه ودائم.
في التجارب الجديدة- التي أشرف عليها سمولينسكي وإمام أوغلو، يمكن ضبط الإلكترونات بين الحالات الطوبولوجية العازلة والحالات المعدنية الموصلة. ومن اللافت للنظر أن التفاعلات تتسبب في محاذاة دوران الإلكترون في كلتا الحالتين بالتوازي مع بعضهما البعض، مما يحول المادة إلى مغناطيس حديدي.
يقول أوليفييه هوبر، الحاصل على درجة الدكتوراه: "إن النتيجة الرئيسية التي توصلنا إليها هي أنه يمكننا استخدام نبضة ليزر لتغيير الاتجاه الجماعي للسبينات". طالب في ETH، الذي أجرى التجارب مع زميله كيليان كولبرودت وتوماس سمولينسكي. قبل بضع سنوات، كان هذا قد تم بالفعل بالنسبة للإلكترونات المنفردة، ولكن الآن تم تحقيق "التبديل" أو تغيير قطبية المغناطيس الحديدي بأكمله.
يقول سمولينسكي: "كان هذا التبديل دائمًا، علاوة على ذلك، تؤثر الطوبولوجيا على ديناميكيات التبديل".
اكتشف أحدث ما توصلت إليه العلوم والتكنولوجيا والفضاء مع أكثر من ذلك100.000 مشتركالذين يعتمدون على Phys.org للحصول على رؤى يومية. اشترك في نشرتنا الإخبارية المجانية واحصل على تحديثات حول الاكتشافات والابتكارات والأبحاث المهمة-يوميا أو أسبوعيا.
يشترك
التحكم الديناميكي للمغناطيس الحديدي
وبهذه الطريقة، يمكن أيضًا استخدام نبض الليزر لرسم خطوط حدودية جديدة، تقع بداخلها الحالة المغناطيسية الطوبولوجية. ويمكن القيام بذلك بشكل متكرر، بحيث يكون التحكم الديناميكي في الخصائص الطوبولوجية والمغناطيسية الحديدية ممكنًا.
ولإثبات أن المغناطيس الحديدي الصغير، الذي يبلغ حجمه بضعة ميكرومترات فقط، قد غير قطبيته بالفعل، قام الباحثون بقياس انعكاس شعاع ليزر ثانٍ أضعف بكثير. كشف هذا الانعكاس عن اتجاه دوران الإلكترون.
يقول سمولينسكي: "في المستقبل، سنكون قادرين على استخدام طريقتنا لكتابة دوائر طوبولوجية عشوائية وقابلة للتكيف بصريًا على شريحة". يمكن بعد ذلك استخدام هذا النهج لإنشاء مقاييس تداخل صغيرة، يمكن من خلالها قياس المجالات الكهرومغناطيسية الصغيرة للغاية.
