فيزيائيون يستخدمون الضوء لمغنطة مادة وتحويل خصائصها!

مغنطة مادة بالضوء

في دراسة رائدة نشرت في مجلة “Nature”، نجح فريق من الفيزيائيين من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في مغنطة مادة بالضوء. وهذه الدراسة لها آثار كبيرة على تطوير معالجة المعلومات وتكنولوجيا شرائح الذاكرة.

وتوفر النتائج طريقة جديدة للتحكم وتحويل المواد المغناطيسية الحديدية المضادة باستخدام ليزر التيراهيرتز (terahertz laser)، والتي تثير الاهتمام بسبب إمكاناتها في تطوير تكنولوجيا معالجة المعلومات وشرائح الذاكرة.

محتويات المقال :

المغناطيسية الحديدية المضادة

تمتلك المغناطيسات الحديدية دورانات ذرية تصطف في نفس الاتجاه. وهذا المحاذاة المنتظمة تسمح لها بالتأثر بسهولة وجذبها نحو المجالات المغناطيسية الخارجية.

وعلى العكس من ذلك، تظهر المغناطيسية الحديدية المضادة سلوكًا متناقضًا. حيث تتناوب دوراناتها الذرية، حيث يتجه كل دوران في الاتجاه المعاكس لجاره، مما يخلق نمطًا على شكل “أعلى-أسفل-أعلى-أسفل”. يعمل هذا الترتيب المضاد للتوازي على إلغاء الدورات الفردية بشكل فعال، مما يؤدي إلى مغناطيسية صافية صفرية. وبالتالي، فإن المواد المضادة للحديد لا تتأثر إلى حد كبير بالمجالات المغناطيسية الخارجية.

إنشاء شرائح ذاكرة قوية

تقدم المواد المغناطيسية الحديدية المضادة إمكانية إنشاء شرائح ذاكرة قوية. يمكن تخزين البيانات عن طريق التلاعب باتجاهات الدوران داخل مناطق مجهرية تسمى المجالات. يمكن أن يمثل تكوين واحد للدوران داخل المجال، مثل “أعلى-أسفل”، الرقم الثنائي “0”، في حين يمكن أن يمثل التكوين المعاكس، “أسفل-أعلى”، الرقم “1”. ستكون الذاكرة القائمة على هذا المبدأ مقاومة للغاية للمجالات المغناطيسية الخارجية، مما يضمن سلامة البيانات.

ولهذا السبب وأسباب أخرى، يعتقد العلماء أن المواد المغناطيسية الحديدية المضادة يمكن أن تكون بديلاً أكثر قوة لتقنيات التخزين القائمة على المغناطيس الحالية. ومع ذلك، كانت العقبة الرئيسية في كيفية التحكم في المواد المغناطيسية الحديدية المضادة بطريقة تحول المادة بشكل موثوق من حالة مغناطيسية إلى أخرى.

نعمة ونقمة

إن قوة المواد المضادة للمغناطيسية، وعدم حساسيتها للحقول المغناطيسية الضالة، تشكلان نعمة ونقمة في الوقت نفسه. وفي حين تحميها هذه الخاصية من التداخل المغناطيسي غير المرغوب فيه، فإنها تجعل من الصعب أيضًا التعامل معها باستخدام الحقول المغناطيسية التقليدية.

لقد ناضل العلماء لإيجاد طرق لتحويل المواد المغناطيسية الحديدية المضادة بشكل موثوق من حالة مغناطيسية إلى أخرى، وهي خطوة حاسمة في تسخير إمكاناتها لتخزين البيانات ومعالجتها. وتكمن المشكلة في المتانة الجوهرية للمغناطيسية الحديدية المضادة، والتي تجعلها مقاومة للمؤثرات الخارجية. وهذه القوة توفر الاستقرار، ولكنها تجعل السيطرة عليها مهمة شاقة.

وباستخدام ضوء تيراهرتز مضبوط بعناية، تمكن فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا من تحويل مادة مضادة للمغناطيس إلى حالة مغناطيسية جديدة. ويمكن دمج المواد المضادة للمغناطيس في رقائق الذاكرة المستقبلية التي تخزن وتعالج المزيد من البيانات مع استخدام قدر أقل من الطاقة وتشغل جزءًا ضئيلًا من مساحة الأجهزة الحالية، وذلك بسبب استقرار المجالات المغناطيسية.

اهتزاز الذرات

في دراستهم الجديدة، عمل الفريق باستخدام “FePS3” وهي مادة تنتقل إلى مرحلة المغناطيسية الحديدية المضادة عند درجة حرارة حرجة تبلغ حوالي -115 درجة مئوية. واشتبه الفريق في أنهم قد يتمكنون من التحكم في تحول المادة من خلال ضبط اهتزازاتها الذرية.

ويمكن تصور المادة الصلبة كترتيب من الذرات المتصلة بنوابض صغيرة. ويؤدي إزاحة الذرة إلى اهتزازها بتردد مميز، عادة في نطاق التيراهرتز. وترتبط هذه الاهتزازات الذرية، المعروفة باسم الفونونات، أيضًا بكيفية تفاعل الدورانات الذرية. وافترض الفريق أن تحفيز الذرات بمصدر من التيراهرتز يطابق تردد الفونونات يمكن أن يعطل محاذاة الدوران المتناوبة. ومن شأن هذا الاضطراب أن يخلق اختلالًا في الدوران، ويفضل اتجاهًا على آخر، ويحفز مغناطيسية صافية في المادة.

مغنطة المادة بالضوء

لاختبار هذه الفكرة، وضع الفريق عينة “FePS3” في غرفة مفرغة من الهواء وقاموا بتبريدها إلى درجات حرارة عند -115 درجة مئوية أو أقل. ثم قاموا بتوليد نبضة تيراهرتز من خلال توجيه شعاع من الضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء عبر بلورة عضوية، والتي حولت الضوء إلى ترددات تيراهرتز. ثم وجهوا هذا الضوء نحو العينة.

وللتأكد من أن النبضة أحدثت تغييراً في مغناطيسية المادة، وجه الفريق أيضاً شعاعين من الليزر القريب من الأشعة تحت الحمراء نحو العينة، كل منهما له استقطاب دائري معاكس. يشير الاختلاف في شدة أشعة الليزر تحت الحمراء المرسلة إلى أن المادة لم تعد في حالتها الأصلية المضادة للمغناطيسية.

مغنطة مادة بالضوء

مستقبل شرائح الذاكرة

هذه التقنية الجديدة لديها القدرة على إنشاء شرائح ذاكرة أسرع وأصغر وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة. قد يؤدي هذا إلى زيادة كبيرة في سعة تخزين البيانات، مما يسمح لنا بتخزين المزيد من الأفلام والأغاني والصور على أجهزتنا أكثر من أي وقت مضى.

ولكن هذا ليس كل شيء. يمكن أن يتيح الاكتشاف الجديد أيضًا إنشاء أجهزة كمبيوتر أكثر قوة يمكنها معالجة البيانات المعقدة بسرعة وكفاءة، مما يمهد الطريق للتقدم في مجالات مثل الذكاء الاصطناعي والطب والتمويل.