علماء فيزياء يكتشفون مغناطيسية "ثمانية الأقطاب" باستخدام اهتزازات ذرية مدفوعة بالضوء

معظم المغانط التي يتعامل معها الناس في الحياة اليومية بسيطة ذات قطبين: شمالي وجنوبي، موجب وسالب. هذا الترتيب المألوف، المعروف باسم ثنائي القطب، يقوم عليه كل شيء من مغانط الثلاجات إلى رؤوس القراءة داخل محركات الأقراص الصلبة. لكن مع نضوج ميكانيكا الكم، اكتشف الباحثون أن المغناطيسية يمكن أن تتخذ أشكالاً أغرب بكثير داخل مواد بلورية معينة، بما في ذلك "نظام ثماني الأقطاب" حيث تتصرف شبكة من الجسيمات جماعياً كما لو كانت تحمل ثمانية أقطاب مغناطيسية بدلاً من القطبين المعتادين.

تكمن الصعوبة في هذه الحالات المغناطيسية عالية الرتبة في أنها بالغة الصعوبة في الرصد. فغالباً ما يلغي عزمها المغناطيسي الصافي نفسه، مما يترك الأدوات التجريبية التقليدية عمياء فعلياً عن نظام موجود في المادة طوال الوقت. وقد أظهر فريق من علماء الفيزياء الكمومية في جامعة تورنتو الآن طريقة للكشف عن مثل هذه الحالات الخفية باستخدام الضوء لسبر الاهتزازات الذرية المتولدة أثناء دوران الإلكترونات. وتوصف الدراسة، المنشورة في Physical Review Letters، من قبل مؤلفيها بأنها خطوة أولى حاسمة نحو استغلال المغناطيسية متعددة الأقطاب في تخزين البيانات والأجهزة الحاسوبية من الجيل القادم.

نظام مغناطيسي لا تستطيع الأدوات العادية رؤيته

تفترض المغناطيسية التقليدية صورة مباشرة: كل ذرة مغناطيسية تتصرف كمغناطيس شريطي صغير، والاصطفاف الجماعي لتلك القضبان ينتج التأثيرات التي نرصدها. لكن المغناطيسية متعددة الأقطاب تكسر تلك الصورة. فبدلاً من زوج بسيط من الأقطاب، ينتج ترتيب الجسيمات داخل البلورة بصمة هندسية أكثر تعقيداً — في حالة ثماني الأقطاب، بصمة تُقرأ كما لو كانت ثمانية أقطاب موزعة عبر البنية.

ولأن الأقطاب مرتبة بشكل متناظر، يمكن أن تلغي مساهماتها بعضها بعضاً بطرق تخفي النظام الكامن عن القياسات المغناطيسية القياسية. وقد صاغ أرون باراميكانتي، أستاذ في قسم الفيزياء ومركز المعلومات الكمومية والتحكم الكمومي في جامعة تورنتو، والمؤلف الرئيسي للعمل، التحدي بوضوح: حدد الفريق بصمات لحالة مغناطيسية خفية لا يمكن رصدها باستخدام المسابر العادية.

هذا الاختفاء هو العقبة المركزية في هذا المجال. فالحالة المغناطيسية التي لا يمكن قراءتها بشكل موثوق هي حالة مغناطيسية لا يمكن استخدامها بشكل موثوق، مهما كانت خصائصها النظرية واعدة.

استخدام الضوء للاستماع إلى الفونونات الكيرالية

اقترب باحثو تورنتو من المشكلة بشكل غير مباشر. فبدلاً من محاولة قياس النظام المغناطيسي مباشرة، سلطوا الضوء على مادة بلورية وأثاروا اهتزازات دقيقة داخل بنيتها الذرية. ووجدوا أن تلك الاهتزازات تحمل معلومات عن أنماط مغناطيسية تفوتها التقنيات التقليدية.

حزم طاقة الاهتزاز المحددة التي ركز عليها الفريق تُعرف بالفونونات، وهي تنتقل عبر الشبكة البلورية للجسم الصلب كما تنتقل الموجة على طول وتر مشدود. ومن بين هذه، اختار الباحثون الفونونات الكيرالية: أنماط اهتزازية لا تطابق صورتها في المرآة.

لماذا تهم اليدوية

كلمة كيرالي مشتقة من الكلمة اليونانية التي تعني يد، والتشبيه مناسب. فاليد اليسرى لا يمكن أن تنطبق تماماً على يد يمنى رغم أن الاثنتين صورتان متطابقتان في المرآة. تمتلك الفونونات الكيرالية هذا النوع من اليدوية بالضبط، وهذه الخاصية هي التي تبدو مقترنة بالترتيب المغناطيسي غير المرئي في الشبكة البلورية.

ومن خلال مراقبة كيفية تفاعل الضوء مع هذه الاهتزازات اليدوية، تمكن الفريق من استنتاج وجود نظام مغناطيسي لا يترك أثراً واضحاً في القياس التقليدي. ويحوّل هذا النهج فعلياً حركة الذرات داخل البلورة إلى مستشعر لحالة كانت ستبقى خفية لولا ذلك.

نحو ذواكر قراءة وكتابة وأجهزة كمومية

يكمن الجذب العملي للمغناطيسية عالية الرتبة في التحكم. فإذا أمكن تبديل حالة مغناطيسية بشكل موثوق وقراءتها مرة أخرى، فإنها يمكن أن تعمل كبتة. والأنظمة متعددة الأقطاب مرشحة جذابة لأنها صامدة أمام أنواع معينة من الاضطراب مع بقائها، من حيث المبدأ، قابلة للتبديل.

وأشار باراميكانتي إلى أن البحث يفتح إمكانية استخدام مغانط عالية الرتبة في عدة تطبيقات، بما في ذلك عناصر ذاكرة قراءة وكتابة قابلة للتحكم من النوع الموجود في الحواسيب اليومية. وتشمل الاتجاهات المحتملة التي حددها الفريق والمجال الأوسع:

• خلايا ذاكرة تُقرأ وتُكتب حالتها المغناطيسية عبر بصمات بصرية أو اهتزازية بدلاً من الاستشعار الميداني التقليدي.
• معماريات تخزين بيانات تستغل النظام متعدد الأقطاب لحشو حالات أكثر قابلية للتمييز في مادة واحدة.
• تقنيات كمومية تعتمد على حالات داخلية طويلة العمر ومحمية جيداً داخل المواد الصلبة البلورية.
• مكونات حاسوبية يُدار فيها التبديل بواسطة اهتزازات شبكية بلورية محفزة بالضوء.

لا شيء من هذه التطبيقات وشيك. فنتيجة تورنتو تتعلق بالكشف — إثبات أن نظاماً خفياً يمكن رصده أصلاً — وليس بهندسة جهاز عامل. لكن الكشف هو الخطوة المسبقة: فبدون آلية قراءة موثوقة، سيكون تصميم أي عنصر ذاكرة أو منطق مبني على نظام ثماني الأقطاب مجرد تخمين.

أسئلة مفتوحة والطريق إلى الأمام

تبقى عدة أسئلة قبل أن تنتقل المغناطيسية متعددة الأقطاب من مختبر الفيزياء نحو التكنولوجيا العملية. سيحتاج الباحثون إلى تحديد مدى متانة بصمات الفونونات الكيرالية عبر مواد ودرجات حرارة مختلفة، ومدى سرعة تبديل الحالة دون تدمير النظام الذي يجعلها مفيدة، وما إذا كان يمكن تكييف المسبار البصري نفسه للكتابة والقراءة معاً.

تكمن الأهمية الأوسع للعمل في المنهجية. فعلى مدى سنوات، جرى التنبؤ بالأنظمة المغناطيسية متعددة الأقطاب والنقاش حولها إلى حد كبير لأنها كانت صعبة التأكيد تجريبياً. وإثبات أن التحليل الطيفي الاهتزازي المدفوع بالضوء يمكن أن يكشف حالة ثمانية الأقطاب يمنح الباحثين أداة جديدة لاختبار تلك التنبؤات مباشرة.

وفي الوقت الحالي، تظل النتيجة إثباتاً لمبدأ من مجموعة فيزياء كمومية جامعية، منشوراً في مجلة محكمة. وتكمن أهميتها أقل في أي جهاز منفرد وأكثر في أن شكلاً خفياً من المغناطيسية أصبح مرئياً — والشكل الخفي من المغناطيسية، متى أصبح مرئياً، يصبح شيئاً يمكن للمهندسين البدء في التفكير في التحكم به.

يعتمد هذا المقال على تقرير من Phys.org. اقرأ المقال الأصلي.