شگفتی در فیزیک جامدات: اثر مغناطیسی بدون میدان مغناطیسی!

منتشر‌شده در scitechdaily به تاریخ ۲۷ فوریه ۲۰۲۱
لینک منبع : Surprise in Solid-State Physics: Magnetic Effect Without a Magnet

شگفتی در فیزیک حالت جامد: اثر هال، که به طور معمول به میدان مغناطیسی نیاز دارد، همچنین می‌تواند به شیوه‌ای کاملا متفاوت-با قدرت زیاد-تولید شود. جریان الکتریکی توسط میدان مغناطیسی در مواد رسانا منحرف می‌شود که منجر به اثر هال می‌شود. این اثر اغلب برای اندازه‌گیری میدان‌های مغناطیسی به کار می‌رود. در حال حاضر کشف شگفت‌انگیزی در دانشگاه فنی وین، با هم‌کاری دانشمندان موسسه پل شررر (سوئیس)، دانشگاه مک متر (کانادا)، و دانشگاه رایس (آمریکا) صورت گرفته است: یک فلز عجیب و غریب ساخته‌شده از سریم، بیسموت، و پالادیوم مورد بررسی قرار گرفت و مشخص شد که یک اثر عظیم هال توسط این مواد، در عدم حضور هر میدان مغناطیسی تولید می‌شود. دلیل این نتیجه غیر‌منتظره در ویژگی‌های غیر‌معمول الکترون‌ها نهفته‌ است: آن‌ها طوری رفتار می‌کنند که گویی در ماده تک قطبی‌های مغناطیسی وجود دارند. این یافته‌ها اکنون در مجله علمی PNAS منتشر شده‌است.

ممکن است به مطالعه مقاله کشف جزئیات پادماده درونی پروتون پس از ده‌ها سال مطالعه علاقمند باشید.

یک ولتاژ عمود بر جریان

وقتی یک جریان الکتریکی از یک نوار فلزی عبور می‌کند، الکترون‌ها از یک طرف به طرف دیگر حرکت می‌کنند. اگر یک آهن‌ربا در کنار این نوار قرار گیرد، نیرویی روی الکترون‌ها -به اصطلاح نیروی لورنتز- عمل می‌کند. مسیر الکترون‌ها از طریق نوار فلزی دیگر مستقیم نیست و کمی خم شده است. بنابراین، در حال حاضر الکترون‌های بیشتری در یک طرف نوار فلزی نسبت به طرف دیگر وجود دارند و این باعث ایجاد یک ولتاژ عمود بر جهت جریان می‌شود. این اثر هال کلاسیک است، همانطور که سال‌ها است که شناخته شده است.

پروفسور سیلک بوهلر-پاسچن از موسسه فیزیک حالت جامد در TU Wien می‌گوید: «اندازه‌گیری قدرت اثر هال یکی از روش‌هایی است که ما مواد را در آزمایشگاه خود مشخص می‌کنیم.» «شما می‌توانید در مورد رفتار الکترون‌ها در حالت جامد از چنین آزمایشی چیزهای زیادی یاد بگیرید.» وقتی سامی دسابر، که بر روی پایان‌نامه خود در گروه تحقیقاتی بوهلر-پاسچن کار می‌کرد، مواد را مورد بررسی قرار داد، کار خود را بسیار جدی گرفت و اندازه‌گیری را بدون میدان مغناطیسی انجام داد. سیلک بوهلر-پاسچن می‌گوید: «در واقع، این یک ایده غیر‌معمول است - اما در این مورد گام تعیین‌کننده بود.»

این اندازه‌گیری نشان داد که ماده یک اثر هال را حتی بدون میدان مغناطیسی خارجی-و نه فقط یک اثر هال نرمال، بلکه یک اثر بزرگ - نشان می‌دهد. در مواد معمولی، اثر هال این قدرت تنها می‌تواند با کویل‌های الکترومغناطیسی عظیم تولید شود. سیلک بوهلر پاسچن می‌گوید: «بنابراین ما باید به سوال دیگری پاسخ می‌دادیم.» اگر یک اثر هال بدون یک میدان مغناطیسی خارجی اتفاق بیفتد، آیا ما احتمالا با میدان‌های مغناطیسی محلی بسیار قوی سروکار داریم که در یک مقیاس میکروسکوپی درون ماده رخ می‌دهد، اما دیگر نمی‌توان آن را در بیرون احساس کرد؟

بنابراین تحقیقات در موسسه Paul Scherrer در سوئیس انجام شد: با کمک مون‌ها -ذرات ابتدایی که به طور خاص برای بررسی پدیده‌های مغناطیسی مناسب هستند- مواد با دقت بیشتری مورد بررسی قرار گرفتند. اما معلوم شد که هیچ میدان مغناطیسی را نمی‌توان حتی در مقیاس میکروسکوپی تشخیص داد. اگر میدان مغناطیسی وجود نداشته باشد، در این صورت هیچ نیروی لورنتزی وجود ندارد که بتواند بر روی الکترون‌ها در ماده عمل کند - اما با این حال یک اثر هال اندازه‌گیری شده است. سیلک بوهلر-پاسچن می‌گوید: «این واقعا جالب توجه است.»

تقارن چیزی است که مهم است! توضیح این پدیده عجیب در تعامل پیچیده الکترون‌ها نهفته است. اتم‌های این ماده بر اساس تقارن‌های بسیار خاص مرتب شده‌اند، و این تقارن‌های به اصطلاح رابطه پراکندگی را تعیین می‌کنند که رابطه بین انرژی الکترون‌ها و اندازه حرکت آن‌ها است. بوهلر-پاسچن می‌گوید: «رابطه پراکندگی به ما می‌گوید که یک الکترون وقتی انرژی خاصی داشته باشد، چقدر سریع می‌تواند حرکت کند.» «همچنین مهم است که توجه داشته باشید که نمی‌توانید الکترون‌ها را به صورت جداگانه در اینجا ببینید - برهمکنش‌های مکانیک کوانتومی قوی بین آن‌ها وجود دارد.»

این فعل و انفعال پیچیده منجر به پدیده‌ای می‌شود که از نظر ریاضی به نظر می‌رسد که در ماده انحصار مغناطیسی وجود دارد - یعنی قطب‌های شمال و جنوب که در طبیعت به این شکل وجود ندارند. بوهلر-پاسچن می‌گوید: «اما در واقع اثر میدان مغناطیسی بسیار قوی بر حرکت الکترون‌ها دارد.»

این اثر قبلا به صورت نظری برای مواد ساده‌تر پیش‌بینی شده‌بود، اما هیچ‌کس نتوانسته بود آن را اثبات کند. بوهلر-پاسچن توضیح می‌دهد که این پیشرفت با بررسی گروه جدیدی از مواد حاصل شد: «مواد ما با ترکیب شیمیایی، با یک برهمکنش قوی بین الکترون‌ها مشخص می‌شود.» او گفت: این اثر به نام اثر کوندو شناخته می‌شود. آن باعث می‌شود که این تک‌قطبی‌های مغناطیسی فرضی دقیقا انرژی مناسبی برای تاثیر‌گذاری بر الکترون‌های رسانش در ماده به شدت داشته باشند. به همین دلیل است که این اثر بیش از هزار برابر بزرگ‌تر از مقدار پیش‌بینی‌شده نظری است.

اثر خود به خودی بزرگ جدید، برخی از پتانسیل‌ها را برای فن‌آوری‌های کوانتومی نسل بعدی حفظ می‌کند. برای مثال، در این زمینه، عناصر غیر‌متقابل که پراکندگی وابسته به جهت را به طور کامل بدون میدان مغناطیسی خارجی تولید می‌کنند، حائز اهمیت هستند؛ آن‌ها می‌توانند با این اثر درک شوند. سیلک بوهلر-پاسچن می‌گوید: «رفتار شدیدا غیرخطی ماده نیز بسیار مورد توجه است.» این واقعیت که پدیده‌های پیچیده ذرات متعدد در جامدات منجر به احتمالات کاربردی غیر‌منتظره می‌شود، این زمینه از تحقیق را به ویژه هیجان‌انگیز می‌سازد.

این متن با استفاده از ربات مترجم مقاله فیزیک ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.