نجح علماء معهد وايزمان للعلوم في إنشاء وقياس نوع من "أحادي القطب المغناطيسي" (المغناطيس أحادي القطب) بدقة. تكشف النتائج، التي نُشرت مؤخرًا في المجلة العلمية Nature Physics، عن تفاصيل جديدة ومثيرة للدهشة حول تكوين التيارات الكهربائية التلقائية والمجالات المغناطيسية في المواد الطوبولوجية.
تم قياس تيارات الإلكترون التي تتحرك عند حواف الجرافين دون حد زمني ودون فقدان الطاقة، باستخدام جهاز التداخل الكمي للموصلات الفائقة عند الطرف. شريط النطاق: 500 نانومترعلى الرغم من عدم وجود صعوبة كبيرة في فصل الشحنة الكهربائية الموجبة عن الشحنة السالبة، إلا أنه من المستحيل في الطبيعة فصل قطبي المغناطيس. ومع ذلك، تمكن علماء معهد وايزمان للعلوم من إنشاء وقياس نوع من "أحادي القطب المغناطيسي" (المغناطيس أحادي القطب) بدقة. النتائج التيتم نشرها مؤخرا تم الكشف في المجلة العلمية Nature Physics عن تفاصيل جديدة ومثيرة للدهشة حول تكوين التيارات الكهربائية التلقائية والمجالات المغناطيسية في المواد الطوبولوجية.
في سلسلة من التجارب، قام الطالب الباحث أفيرام أوري، والدكتور سمير غروفر وباحثون آخرون في المجموعة البحثية للبروفيسور. إيلي زالدوف في قسم فيزياء المواد المكثفة، في "المواد الطوبولوجية" - المواد التي، بأي طريقة يتم تشكيلها أو قطعها أو حرقها، ستكون دائمًا معزولة "من الداخل" وموصلة "من الخارج". من الناحية النظرية، يجب أن تضيف المواد الطوبولوجية تطورًا مفاجئًا إلى ظاهرة معروفة من المعادن العادية: عندما يتم وضع شحنة كهربائية منخفضة فوق سطح المعدن، فإن سحابة من الجسيمات ذات الشحنة المعاكسة سوف تتجمع تحت السطح. في المعادن، تكون كلتا الشحنتين كهربائيتين، لكن الخصائص الفريدة لبعض المواد الطوبولوجية قد تسبب، وفقًا للنظرية، في هذه الحالة تفاعلًا يحاكي أحادي القطب المغناطيسي، وليس الكهربائي، الذي يتشكل بالقرب من السطح. يقول البروفيسور زيلدوف: "على الرغم من المحاولات العديدة، لم يتم اكتشاف هذا التفاعل في التجارب، لأنه لم تكن هناك طريقة لقياس التأثيرات على هذا النطاق الصغير".
لكن البروفيسور زيلدوف لديه طريقة لقياس مثل هذا التأثير: النظام الذي تم تطويره في مختبره - "جهاز التداخل الكمي للموصلات الفائقة عند طرف الطرف" المعروف باسم SQUID-on-tip أو SOT - هو مقياس مغناطيسي حساس للغاية مع قرار نانومتر. لقياس التأثير المعني، استخدم أعضاء فريق البحث "خدعة": وضعوا الشحنة الكهربائية على طرف الطرف وقاسوا الاستجابة المغناطيسية الصغيرة باستخدام نفس النظام.
على الرغم من أنه تم التنبؤ بها منذ 30 عامًا، إلا أنه حتى الآن، في معظم الحالات، تم تجاهل هذه الظواهر. الآن، في ضوء تجاربنا، قد يحتاج الفيزيائيون الذين يتعاملون مع الحالات الطوبولوجية إلى النظر في صورة أكثر تعقيدًا لهذه التأثيرات الكمومية.
بالتعاون مع الدكتور يونغ ووك كيم والبروفيسور يورغن سميت من معهد ماكس بلانك لأبحاث الحالة الصلبة في شتوتغارت، ألمانيا، طبق الباحثون مجالًا مغناطيسيًا خارجيًا كبيرًا على الجرافين - وهو عبارة عن ورقة ثنائية الأبعاد من ذرات الكربون - وبالتالي استحثوا تأثير هول الكمي، والذي حول الجرافين إلى مادة طوبولوجية من نوع معين. وبعد ذلك، وباستخدام نظام SOT، اكتشفوا أنهم يستطيعون بالفعل إنشاء وقياس "صورة معكوسة" مغناطيسية استجابةً لشحنة كهربائية بالقرب من سطح الجرافين. على غرار وهم الشحنة الكهربائية المعاكسة، فإن أصل الظاهرة المغناطيسية التي تلقاها هو في الإلكترونات الموجودة داخل المادة، لكنها تصرفت مثل "الشيء الحقيقي". يقول البروفيسور زيلدوف: "لقد أثبتنا أن ظاهرتين - الكهرباء والمغناطيسية - غير مرتبطتين عادة بهذه الطريقة، تتقاطعان في المواد الطوبولوجية".
كيف يحدث هذا؟ لفهم ملاحظة البحث، يجب على المرء أن يفهم ظاهرة معينة في تأثير هول الكمي: من الممكن نقل المادة بين الحالات المعزولة طوبولوجيًا والحالات المعدنية عن طريق تغيير كثافة الإلكترونات. وفي الحالة الطوبولوجية للجرافين، تتدفق الإلكترونات على طول الحواف، واكتشف الباحثون أن هذه التيارات موجودة حتى بدون مجال كهربائي خارجي، وأنها تتحرك إلى أجل غير مسمى ودون فقدان الطاقة. كشفت هذه التجارب شيئًا كان في البداية مفاجأة: "في حالة هول الكمومية، من المتوقع أن تكون التيارات مراوانية - أي أنها ستتحرك في اتجاه واحد وفي عدة قنوات متوازية على طول الحواف"، كما يقول. البروفيسور زيلدوف. "لكننا وجدنا في كل قناة زوجًا من التيارات تنتشر في اتجاهين متعاكسين جنبًا إلى جنب وتنبع من مصادر مختلفة - أحدهما طوبولوجي والآخر غير طوبولوجي".
إن التحليل النظري الشامل لهذه النتائج، بالتعاون مع الدكتور سيبريان ليفاندوفسكي من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)، يلقي ضوءًا جديدًا على هذا اللغز. وفي الحالة الطوبولوجية تتحرك التيارات بحيث تنتج حركات الإلكترون استجابة على شكل "أحادي القطب المغناطيسي" تحت السطح. لكن في الحالة غير الطوبولوجية (المعدنية)، تتحرك التيارات في الاتجاه المعاكس، مما يخلق مجالًا مغناطيسيًا معاكسًا يحاكي المغناطيس ثنائي القطب.
يقول البروفيسور زيلدوف: "على الرغم من اكتشافها قبل 30 عامًا، إلا أنه تم تجاهل هذه الظواهر حتى الآن في معظم الحالات. والآن، في ضوء تجاربنا، قد يتعين على الفيزيائيين الذين يتعاملون مع الحالات الطوبولوجية أن يأخذوا في الاعتبار صورة أكثر تعقيدًا لهذه التأثيرات الكمومية. قد يكون لهذه النتائج آثار، من بين أمور أخرى، على فهم النقل الحراري الكمي وتطوير أدوات لقياس المقاومة الكمية بدقة عالية.
كما شارك في الدراسة الدكتور كوسيك باجني، ونداف أورباخ، والدكتورة إيلا لاشمان، والدكتور يوري مياسوفيدوف من قسم فيزياء المواد المكثفة في معهد وايزمان للعلوم.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
