إذن ماذا تفعل هناك في الجامعة؟ الفصل الأول: في الموصلية الفائقة والمغناطيس القوي في المزات

التقى أورين شايع صاحب مدونة "إلى حد دائم" مع أمير سيغال ليسأله عما يفعلونه هناك في الجامعة. الحلقة الأولى في السلسلة

أمير هو في الأصل من القدس ويعيش حاليا مع زوجته وابنته في موديعين. وهو عازف جيتار في فرقة "Kobayashi Porcelain". حصل على شهادته الأولى في الجامعة العبرية ويعمل حاليًا على إنهاء أطروحته للدكتوراه في الفيزياء في مختبر الإلكترونيات السبينية والمجالات المغناطيسية العالية التابع للبروفيسور. ألكسندر جربر في جامعة تل أبيب.

أمير، فماذا تفعل هناك؟

نحن مهتمون بدراسة وفهم تأثير المجالات المغناطيسية على التوصيل الكهربائي للمواد في الطبقات الرقيقة. ولتحقيق هذه الغاية، لدينا أقوى مغناطيس في الشرق الأوسط في المختبر، على الأقل وفقًا لآخر مرة قمت فيها بالتحقق. إنه مغناطيس كهربائي وهو في الواقع ملف معدني يشبه الزنبرك في الشكل (انظر الشكل). وعندما يمر تيار كهربائي من خلاله، ينشأ مجال مغناطيسي منتظم داخل الفضاء الأسطواني. من أجل إجراء القياس، يتم إدخال النموذج الذي ترغب في فحصه في تجويف الملف. ومن خلال تغيير التيار، يمكن التحكم في قوة المجال المغناطيسي بدقة كبيرة، والتحقق من مدى تأثير التغيير على التوصيل الكهربائي للمادة التي يتم اختبارها.

المواد الرئيسية التي نبحث عنها هي المواد المغناطيسية والمواد فائقة التوصيل. الموصلات الفائقة هي مواد، إذا تم تبريدها إلى ما دون درجة حرارة معينة (درجة الحرارة الحرجة)، تنخفض مقاومتها الكهربائية إلى الصفر. على سبيل المثال، يدخل الرصاص إلى حالة التوصيل الفائق عند درجة حرارة 7.19 درجة فوق الصفر المطلق (أي -266 درجة مئوية). في هذا الوضع الخاص، لا يوجد أي هدر للطاقة أثناء تدفق الكهرباء في النموذج ويمكن نظريًا أن يستمر إلى الأبد.

تم اكتشاف هذه الظاهرة في وقت مبكر من عام 1911، ولكن فقط في الخمسينيات من القرن الماضي تمكنوا من إيجاد تفسير لها. ويرتبط التفسير بكون الإلكترونات المشاركة في التوصيل الكهربائي مرتبة في أزواج، وبين الأزواج الخاصة من الإلكترونات هناك تجاذب بدلاً من التنافر. هذا التفسير أكسب هوغو جائزة نوبل في الفيزياء. وفي الثمانينات كان هناك تطور آخر مثير للاهتمام، عندما تم اكتشاف عائلة من المواد التي يحدث فيها الانتقال إلى حالة التوصيل الفائق عند درجات حرارة عالية نسبيا، بعضها أعلى من درجة حرارة النيتروجين السائل. ولا يوجد تفسير مقنع لهذه الظاهرة حتى الآن.

وما هي المواد المغناطيسية؟

يوجد في كل مادة عناصر مغناطيسية مجهرية تسمى العزوم المغناطيسية. على سبيل المثال، تحمل الإلكترونات هذه الخاصية التي تنبع من دورانها. تميل العزوم المغناطيسية في المواد المغناطيسية الحديدية إلى الاصطفاف في نفس الاتجاه. المواد التي تشير جميع العزوم المغناطيسية فيها إلى نفس الاتجاه ستكون مغناطيسية ويمكننا، على سبيل المثال، لصقها في الثلاجة.

فلماذا لا يكون الحديد، وهو مغناطيس حديدي، مغناطيسيًا دائمًا؟

لأن الحالة المستقرة للعزوم المغناطيسية تعتمد على العديد من العوامل. عادةً، سيتم محاذاة العزوم المغناطيسية في نفس الاتجاه في مناطق محدودة يبلغ طولها بضعة ميكرونات. ستشير كل منطقة من هذه المناطق إلى موقع مختلف، وبالتالي فإن قطعة المادة بأكملها لن تكون مغناطيسية. يمكننا استثمار الطاقة وجعل جميع عزم الدوران يشير في نفس الاتجاه، على سبيل المثال عن طريق تنشيط مجال مغناطيسي خارجي، ثم تصبح المادة مغناطيسًا دائمًا (انظر الشكل).
لماذا هذه المواد مثيرة للاهتمام؟

لسببين رئيسيين: السبب الأول هو أنه من الممكن أن يكون لديهم تطبيقات تكنولوجية قد نصل إليها لاحقا. السبب الثاني هو أنه على الرغم من أن هذه المواد معروفة للعلم منذ سنوات عديدة، إلا أن الكثير من الأشياء المتعلقة بالفيزياء التي تملي هذه الظواهر غير مفهومة.

إذًا ما الذي أردت اختباره في مختبرك؟

كان أحد المشاريع التي عملت عليها هو دراسة خليط من المواد المغناطيسية الفائقة والمواد فائقة التوصيل.

למה؟

لأن هناك شيئًا متناقضًا في الأساس. تتكون أزواج الإلكترونات الخاصة التي تشارك في التوصيل في مادة فائقة التوصيل من إلكترونين لهما عزم مغناطيسي في اتجاهين متعاكسين. من ناحية أخرى، كما ذكرت من قبل، في المواد المغناطيسية الحديدية فإن ميل العزوم المغناطيسية هو أن تصطف في نفس الاتجاه. زوج من الإلكترونات من الموصل الفائق الذي يجد نفسه فجأة في مادة مغناطيسية حديدية، قد "يشعر بعدم الارتياح". أردنا أن نعرف كيف ستتصرف المادة في هذه الحالة.

وماذا اكتشفت؟

لسوء الحظ، ليس كثيرا في البداية. وتبين أنه عندما قمنا بخلط المواد التي استخدمناها، النيكل الحديدي المغناطيسي والرصاص فائق التوصيل، تم الحصول على خليط من حبيبات النيكل وحبيبات الرصاص وحبيبات مركب بين النيكل والرصاص. لم يكن تكوين المركب متوقعا ومنعنا من التوصل إلى استنتاجات واضحة حول الموضوع الذي أردنا اختباره.

لقد حاولنا التغلب على المشكلة بجميع أنواع الأساليب ولم ينجح الأمر تمامًا. ولكن بينما كنا نعمل على حل المشكلة، واجهنا ظاهرة مثيرة للاهتمام بنفس القدر. ظهر شيء غير متوقع في قياس الموصلات الفائقة والمغناطيسات الحديدية، وأشار إلى وجود بعض الارتباط بينهما.

ماذا رأيت

عند قياس مقاومة مادة مغناطيسية حديدية كدالة للمجال المغناطيسي، تكون النتيجة دائمًا متناظرة. والقصد من ذلك هو أن المقاومة الكهربائية للمادة الموجودة في مجال مغناطيسي معين ستبقى كما هي إذا عكسنا اتجاه المجال (انظر الشكل). وفي القياسات التي أجريناها في المختبر، تم الحصول على نتيجة تتضمن عنصرًا غير متماثل بالإضافة إلى الإشارة المتماثلة التي اعتدنا على إيجادها. ظهرت الإشارة غير المتماثلة عند النقطة التي ينعكس فيها مغنطة النموذج.

وفي الوقت نفسه، وجدنا ظاهرة مماثلة ولكن معاكسة في الموصلات الفائقة. بالنسبة لظاهرة عدم التماثل فيما يتعلق بالمجال المغناطيسي (جهد هول)، تمت إضافة عنصر متماثل في منطقة الانتقال إلى حالة التوصيل الفائق.

إذن ما هي العلاقة بين الظاهرتين؟ بعد كل شيء، هذه مواد مختلفة تماما.

صحيح، لكن ما يربط بين النتيجتين هو كسر التماثل. تمت إضافة شيء ما إلى النظام المادي وإضافة اتجاه مختلف عما كان متوقعًا. قد يكون هذا، على سبيل المثال، عدم تجانس المادة. في عملية إنتاج النموذج، يمكن أن تحدث جميع أنواع العيوب، مثل عدم التماثل في السمك أو اختراق الذرات الأجنبية. قد تسبب هذه "الاضطرابات"، على سبيل المثال، تغيرات محلية في الظروف التي تنتقل فيها المادة من الحالة الطبيعية إلى حالة التوصيل الفائق. سيؤدي ذلك إلى أن تكون مناطق معينة من المادة فائقة التوصيل في نفس الوقت الذي لن تكون فيه مناطق أخرى في هذه الحالة، مما سيؤدي إلى تحويل التدفق الكهربائي واختلاف الفولتية الداخلية، كما لوحظ في تجاربي.

حسنًا، شرح مثير للاهتمام. لكن، كيف يمكنك التأكد من أن الظاهرة التي يصفها موجودة بالفعل في الواقع؟

لقد قمنا ببساطة بإنتاج نماذج حيث كان هناك عدم تجانس بدأناه مثل التغيير التدريجي في السُمك أو التغيير في نوع المادة. في هذه الحالات يمكننا استخدام نموذجنا لمحاولة التنبؤ بنتيجة عدم التجانس وتأكيدها في التجارب على هذه النماذج.

ثم لخص العلاقة بين نوعي المواد.

في كلا النوعين من المواد، الموصلات الفائقة والمغناطيسات الحديدية، هناك نقاط حرجة ترتبط بالمجال المغناطيسي وتسبب تغيرات كبيرة في التوصيل الكهربائي. في الموصلات الفائقة هو الانتقال إلى حالة التوصيل الفائق وفي المغناطيسات الحديدية هو عكس اتجاه المغنطة. يؤدي عدم التجانس إلى حدوث تغيرات مكانية في خصائص المادة. وحول النقاط الحرجة تتجلى هذه التغيرات وتتسبب في كسر التناظر، وهو ما رأيناه بالفعل في التجربة.

إذن ما هي الخطوة التالية؟

بالنسبة لهذا المشروع، قررنا تجربة مسار عمل أكثر تطبيقًا. لدينا بعض الأفكار حول كيفية استغلال عدم التجانس لتصميم مكونات ذاكرة مغناطيسية أكثر كفاءة من المكونات الموجودة. نحن نعمل حاليًا عليها، وربما في يوم من الأيام سيكونون قادرين على التنافس مع ذكريات الفلاش الشهيرة.

---------------------------

يسعدني أن ألتقي وأتحدث مع أي طالب بحث (ربما أنت؟) يرغب في المشاركة ويخبرني قليلاً عما يفعله (وكل ذلك مقابل محادثة ليست طويلة جدًا). يمكنك الاتصال بي من خلال نموذج الاتصال.