منوعات

الانهيار المغناطيسي الناجم عن التأثيرات الكمومية

تتكون البراغي الحديدية وغيرها من المواد المغناطيسية المغناطيسية من ذرات بها إلكترونات تعمل مثل المغناطيس الصغير. عادة، يتم محاذاة اتجاهات المغناطيس داخل منطقة واحدة من المادة ولكن لا تتم محاذاة عبر المناطق. فكر في مجموعات السياح في تايمز سكوير وهم يشيرون إلى لوحات إعلانية مختلفة من حولهم. ولكن عندما يتم تطبيق مجال مغناطيسي، فإن اتجاهات المغناطيس، أو الدوران، في مناطق مختلفة تتطابق وتصبح المادة ممغنطة بالكامل. سيكون الأمر كما لو أن مجموعات من السائحين اتجهوا جميعًا نحو نفس العلامة.

ومع ذلك، فإن عملية محاذاة الأبراج لا تحدث دفعة واحدة. وبدلاً من ذلك، عندما يتم تطبيق المجال المغناطيسي، تؤثر مناطق مختلفة، أو ما يسمى بالنطاقات، على مناطق أخرى قريبة، وتنتشر التغييرات بطريقة مجمعة عبر المادة. غالبًا ما يقارن العلماء هذا التأثير بالانهيار الجليدي، حيث تبدأ قطعة صغيرة من الثلج في التساقط، وتضغط على قطع أخرى قريبة، حتى ينهار جانب الجبل بأكمله في نفس الاتجاه.

تم إثبات تأثير الانهيار الجليدي لأول مرة في المغناطيس من قبل الفيزيائي هاينريش باركهاوزن في عام 1919. ومن خلال لف ملف حول مادة مغناطيسية وربطها بمكبر الصوت، أظهر أن هذه القفزات في المغناطيسية يمكن سماعها على شكل صوت طقطقة، المعروف اليوم. مثل باركهاوزن. ضوضاء.

الآن أنا تقرير في الصحيفة وقائع الأكاديمية الوطنية لل العلوم (PNAS)، أظهر باحثو معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا أن ضوضاء باركهاوزن يمكن أن تنتج ليس فقط بالوسائل التقليدية أو الكلاسيكية، ولكن أيضًا عن طريق التأثيرات الميكانيكية الكمومية. هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها اكتشاف ضوضاء باركهاوزن الكمومية تجريبيًا. يمثل البحث تقدمًا في الفيزياء الأساسية ويمكن أن يكون له يومًا ما تطبيقات في إنشاء أجهزة استشعار كمومية وأجهزة إلكترونية أخرى.

يقول كريستوفر سيمون، المؤلف الرئيسي للورقة البحثية وباحث ما بعد الدكتوراه في مختبر توماس إف روزنباوم، أستاذ الفيزياء في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ورئيس المعهد: “إن ضجيج باركهاوزن هو عبارة عن مجموعة من المغناطيسات الصغيرة التي تدور في مجموعات”. والكرسي الرئاسي سونيا وويليام دافيدو. “نحن نقوم بنفس التجربة التي تم إجراؤها عدة مرات، لكننا نجريها في مادة كمومية. نحن نرى أن التأثيرات الكمومية يمكن أن تؤدي إلى تغييرات مجهرية.”

عادة، تحدث هذه الانعكاسات المغناطيسية بشكل كلاسيكي، من خلال التنشيط الحراري، حيث يجب على الجسيمات أن تكتسب طاقة كافية مؤقتًا للتغلب على حاجز الطاقة. ومع ذلك، تظهر الدراسة الجديدة أن هذه الانعكاسات يمكن أن تحدث أيضًا كميًا من خلال عملية تسمى النفق الكمي.

في النفق، يمكن للجسيمات القفز إلى الجانب الآخر من حاجز الطاقة دون الحاجة إلى عبور الحاجز. إذا تمكنا من توسيع هذا التأثير ليشمل الأشياء اليومية مثل كرات الجولف، فسيكون الأمر مثل كرة الجولف التي تسير مباشرة فوق التل بدلاً من الاضطرار إلى تسلقها للوصول إلى الجانب الآخر.

“في عالم الكم، لا تحتاج الكرة إلى تجاوز التل لأن الكرة، أو بالأحرى الجسيم، هي في الواقع موجة، وجزء منها موجود بالفعل على الجانب الآخر من التل”، يوضح سيمون.

بالإضافة إلى النفق الكمي، يُظهر البحث الجديد تأثير النفق المشترك، حيث تتواصل مجموعات من الإلكترونات النفقية مع بعضها البعض لتسبب دوران الإلكترون في نفس الاتجاه.

يقول المؤلف المشارك دانييل سيليفيتش، وهو أستاذ باحث في الفيزياء في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا: “كلاسيكيًا، كل من الانهيارات الجليدية الصغيرة، حيث تنعكس مجموعات من الدوران، ستحدث من تلقاء نفسها”. “لكننا اكتشفنا أنه بفضل النفق الكمي، يحدث انهياران جليديان بالتزامن مع بعضهما البعض. وهذا نتيجة لتواصل مجموعتين كبيرتين من الإلكترونات مع بعضهما البعض، ومن خلال تفاعلاتهما، تقومان بتنفيذ هذه التغييرات. تأثير النفق المشترك هذا كانت مفاجأة.”

في تجاربهم، استخدم أعضاء الفريق مادة بلورية وردية تسمى فلوريد الليثيوم هولميوم الإيتريوم، تم تبريدها إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق (أي ما يعادل 273.15 درجة مئوية تحت الصفر). لقد لفوا ملفًا حوله، وطبقوا مجالًا مغناطيسيًا، ثم قاسوا قفزات الجهد القصيرة، تمامًا مثل ما فعله باركهاوزن في عام 1919 في تجربته الأكثر بساطة. تشير قمم الجهد المرصودة إلى أن مجموعات من الإلكترونات التي تدور تدور تعكس اتجاهاتها المغناطيسية. عندما تنقلب مجموعات الدوران واحدة تلو الأخرى، يتم ملاحظة سلسلة من قمم الجهد، أي ضوضاء باركهاوزن.

ومن خلال تحليل هذا الضجيج، تمكن الباحثون من إثبات حدوث انهيار مغناطيسي حتى بدون وجود تأثيرات كلاسيكية. وعلى وجه التحديد، أظهروا أن هذه التأثيرات كانت غير حساسة للتغيرات في درجة حرارة المادة. وقد قادتهم هذه الخطوات التحليلية وغيرها إلى استنتاج أن التأثيرات الكمومية كانت مسؤولة عن هذه التغييرات الجذرية.

وفقًا للعلماء، يمكن أن تحتوي مناطق الوجه هذه على ما يصل إلى مليون مليار دورة، في حين تحتوي البلورة بأكملها على حوالي مليار مليار دورة.

يقول روزنباوم: “لقد لاحظنا هذا السلوك الكمي في المواد التي تصل إلى مليارات الدورات المغزلية. وتتصرف مجموعات الأجسام المجهرية جميعها بشكل متماسك”. “يمثل هذا العمل هدف مختبرنا: عزل تأثيرات ميكانيكا الكم حيث يمكننا أن نفهم كميًا ما يحدث.”

تبحث ورقة بحثية أخرى حديثة من مختبر PNAS التابع لروزنباوم بالمثل كيف يمكن للتأثيرات الكمومية الصغيرة أن تؤدي إلى تغييرات واسعة النطاق. في هذه الدراسة السابقة، درس الباحثون عنصر الكروم وأظهروا أن نوعين مختلفين من تعديل الشحنة (بما في ذلك الأيونات في حالة واحدة والإلكترونات في الحالة الأخرى) التي تعمل بمقاييس طولية مختلفة يمكن أن تتداخل ميكانيكيًا كميًا. يقول روزنباوم: “لقد كان الناس يدرسون الكروم لفترة طويلة، لكن الأمر استغرق حتى الآن لتقدير هذا الجانب من ميكانيكا الكم. وهذا مثال آخر على هندسة الأنظمة البسيطة التي تكشف عن السلوك الكمي الذي يمكننا دراسته على نطاق مجهري”.

تم تمويل دراسة PNAS التي تحمل عنوان “ضوضاء باركهاوزن الكمومية الناتجة عن ربط جدران المجال” من قبل وزارة الطاقة الأمريكية والمجلس الوطني لأبحاث العلوم والهندسة في كندا. تشمل قائمة المؤلفين أيضًا فيليب ستامب، زميل زائر في الفيزياء في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا وأستاذ الفيزياء في جامعة كولومبيا البريطانية.

..

Source link

orcalimaa

المصدر الرئيسي للأخبار والمعلومات الصحية والطبية الموثوقة وفي الوقت المناسب . توفير معلومات صحية ذات مصداقية ومجتمع داعم وخدمات تعليمية من خلال مزج الخبرة الحائزة على جوائز في المحتوى والخدمات المجتمعية وتعليقات الخبراء والمراجعة الطبية .

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

زر الذهاب إلى الأعلى