Real Time Web Analytics نانوآهنربا های معلق: وقتی فیزیک کوانتومی، مغناطیس را جادویی‌تر می‌کند! | دیپ لوک

نانوآهنربا های معلق: وقتی فیزیک کوانتومی، مغناطیس را جادویی‌تر می‌کند!

0

مغناطیس، یکی از حوزه‌های فیزیک است که با وحود قدمت بسیار زیاد، هنوز هم رازآلود به نظر می‌رسد. آهنربا به عنوان نماد اصلی این دنیای رازآلود، به خاطر نیروهایی نامرئی که آن را کنترل می‌کردند، یکی از شگفت‌انگیزترین اشیایی بود که مردمان باستان را به وجد آورده و آنها را به نیرویی جادویی مطمئن می‌کرد. حتی آلبرت اینشتین در خاطرات خود می‌گوید، یکی از اولین جرقه‌های علاقه‌ی او به فیزیک، شگفتی آهنربایی بود که عمویش به او داده بود. حالا دانشمندان در پژوهش جدیدی با کمک ویژگی‌های کوانتومی، موفق به کشف نانوآهنربا های معلقی شده‌اند که شگفتی این اجسام عجیب را چندبرابر می‌کند. نتیجه‌ی این پژوهش در مجله معتبر Physical Review Letters منتشر شده است. با دیپ لوک همراه باشید…

داستان آهنربا و نیروی نامرئی و جادویی‌اش،‌ نه تنها علوم، بلکه ادبیات را هم تحت تاثیر قرار داده است. مشهودترین متن ادبی که مرا به یاد آهنربا می‌اندازد، اولین صفحه‌ی رمان مشهور «صد سال تنهایی» است که در آن، گابریل گارسیا مارکز با قلم زیبایش (و ترجمه بهمن فرزانه)، جادوی آهنربا را چنین شرح می‌دهد:

نزدیک ماه مارس، یک خانواده کولی ژنده‌پوش، چادر خود را در نزدیکی دهکده برپا می‌کرد و با سروصدای طبل و کرنا، اهالی دهکده را با اختراعات جدید آشنا می‌ساخت. آهنربا نخستین اختراعی بود که به آنجا رسید. مرد کولی درشت هیلکی که خود را ملکیادس می‌نامید، با ریش به هم پیچیده و دستان گنجشک‌وار در ملا عام، آنچه را که هشتمین عجایب کیمیاگران دانشمند مقدونیه می‌خواند، معرفی کرد. با دو شمش فلزی از خانه‌ای به خانه‌ی دیگر می‌رفت. اهالی دهکده می‌دیدند همه پاتیل‌ها و قابلمه‌ها و انبرها و سه‌پایه‌ها از جای خود به زمین می‌افتد، سخت حیرت کرده بودند. تخته‌ها، با تقلای میخ‌ها و پیچ‌ها که می‌خواست بیرون بپرد، جیرجیر می‌کند، حتی اشیایی که مدت‌ها بود در خانه‌ها مفقود شده‌ بود، بار دیگر پیدا می‌شد و به دنبال شمش‌های سحرآمیز ملکیادس راه می‌افتاد. ملکیادس با لهجه‌ای غلیظ می‌گفت: «اشیا جان دارند، فقط باید بیدارشان کرد!»

اجازه دهید از این داستان ادبی جذاب، فاصله گرفته و به دنیای جذاب‌تر علم وارد شویم: حالا دانشمندان موفق به کشف نانوآهنربا هایی شده‌اند که می‌توانند به کمک ویژگی‌های کوانتومی معلق شوند! آنها نشان دادند برخلاف قضیه‌ی ارنشاو (Earnshaw’s theorem)، نانوآهنربا ها می‌توانند به طور پایدار در یک میدان مغناطیسی ایستای خارجی کوانتومی، معلق باشند. اندازه حرکت زاویه‌ای کوانتومی الکترون‌ها یا همان اسپین هم در این مکانیسم درنظر گرفته می‌شود.

ریاضیدانی به نام ساموئل ارنشاو در سال ۱۸۴۲ ثابت کرد هیچ ساختار پایداری از آهنرباهای دائمی معلق وجود ندارد. اگر یک آهنربا، بر بالای آهنربای دیگری معلق شود، کوچکترین اختلالی باعث تخریب این سیستم خواهد شد. فرفره‌ی مغناطیسی، اسباب‌بازی محبوبی است که قضیه‌ی ارنشاو را دور می‌زند: وقتی سیستم مختل شود، حرکت چرخشی فرفره باعث تصحیح سیستمی شده و پایداری حفظ می‌شود. حالا دانشمندانی از دانشگاه اینسبورک، موسسه ماکس پلانک و آکادمی علوم اتریش، نشان داده‌اند در دنیای کوانتومی، نانوذرات ریز و بدون چرخش می‌توانند در یک میدان مغناطیسی معلق شوند. یکی از دانشمندان می‌گوید:

برخی از ویژگی‌های کوانتومی، در دنیای میکروسکوپی مهم نیستند، اما به شدت بر اشیای نانو اثر می‌گذارند. چنین ویژگی‌هایی، رکن اصلی، نانوآهنربا های معلق ما را تشکیل می‌دهند.

پایداری نانوآهنربا های معلق ناشی از ژیرومغناطیس است

آلبرت اینشتین و فیزیکدان آلمانی واندر یوهانس د هاس در سال ۱۹۱۵، کشف کردند خاصیت مغناطیسی، نتیجه‌‌ای از اصول مکانیک کوانتومی است: اندازه‌ حرکت زاویه‌ای کوانتومی الکترون‌ها، یا به اصطلاح همان اسپین الکترون. حالا فیزیکدانان کشف کرده‌اند اسپین الکترون، امکان معلق بودن یک تک نانوآهنربا را در یک میدان مغناطیسی ایستا می‌دهد که طبق قضیه‌ی کلاسیکی ارنشاو غیرممکن است. فیزیکدانان نظری، پایداری وابسته به شعاع جسم و قدرت میدان مغناطیسی خارجی را آنالیز کردند. این نتایج نشان داد که در غیاب اتلاف انرژی، یک حالت تعادلی ظاهر می‌شود. این مکانیسم متکی بر اثر ژیرومغناطیسی است: با تغییر جهت میدان مغناطیسی، یک اندازه حرکت زاویه‌ای ایجاد می‌شود، زیرا ممان مغناطیسی با اسپین الکترون‌ها جفت می‌شود. دانشمندان می‌گویند:

این امر، باعث پایداری معلق بودن مغناطیسی نانوآهنربا ها می‌شود.

محققان نشان دادند حالت تعادلی نانوآهنربا هایی که به طور مغناطیسی معلق‌اند، درهم تنیدگی درجات آزادی آنها را آشکار می‌کند.

نانوآهنربا های معلق و حوزه‌ی جدیدی که برای پژوهش باز شد

دانشمندان این پژوهش به تولید نانوآهنربا های معلق در آزمایشگاه خوش‌بین‌اند. نانوآهنربا های معلق، زمینه‌ی پژوهشی جدیدی را برای فیزیکدانان باز می‌کنند. مطالعات نانوآهنربا ها تحت شرایط ناپایدار می‌تواند منجر به کشف پدیده‌های کوانتومی عجیب و غریب شود. به علاوه، پس از جفت‌شدن چندین نانوآهنربا ، می‌توان نانومغناطیس کوانتومی را شبیه‌سازی کرده و به طور آزمایشگاهی مطالعه کرد. از طرفی نانوآهنربا های معلق کاربردهای فنی بسیار جذابی مانند توسعه‌ی حسگرهای بسیار دقیق خواهند داشت.

بیشتر بخوانید:
دانلود مقاله اصلی به صورت PDF

لینک کوتاه این مطلب: https://goo.gl/o1Zd98

با اقتباس از: phys.org

 

زاده‌ی اردیبهشت ۶۹ و دانشجوی دکترای شیمی کوانتوم محاسباتی در دانشگاه شهید بهشتی است.او علاقمند به دنیای کوانتوم و تکنولوژی بوده و علاوه بر سردبیری دیپ لوک، به طراحی وب و نویسندگی در گجت نیوز و ماهنامه جی اس ام مشغول است.

ارسال نظر

*