خواص جديد مواد غير مغناطيسيدانشمندان مدت ها بر این عقیده بودند که تقارن، به دلیل اینکه جا به جا شدن جهت چرخش یک تقارن اضافی را ایجاد میکند، به مواد مغناطیسی این امکان را میدهد که خواص بیشتری نسبت به مواد غیرمغناطیسی داشته باشند. اما ...
[ الكترومغناطيس ]
يك شبكه غيرمغناطيسي، كه در تصوير 1 نشان داده شده است، ميتواند تقارن مشابه شبكه مغناطيسي، كه در تصوير 2 نشان داده شده است، داشته باشد. در اين حالت، هر دو شبكه به گونه اي تعريف ميشوند كه داراي تقارن سرگروه 12 كه دانشمندان آن را 4 {اِم اِم} 13 مينامند باشند. تصوير 1 (ماده غيرمغناطيسي): ساختار كريستالي غير مغناطيسي مربوط به استرونتيم تيتانات تشكيل شده است از استرونتيم (گوي هاي آبي)، تيتانيم (گوي هاي قرمز) و اكسيژن (گوي هاي زرد). نقشهاي خاكستري رنگ ساختار 8وجهي (اوكتتي) اكسيژن هستند كه ،همانطور كه با پيكان هاي سبز رنگ نشان داده شده است، خلاف جهت 8وجهي همسايه تاب ميخورند. » تهيه: ساوا دنو (14) ، پن استيت.
يك شبكه مغناطيسي، كه در تصوير 2 نشان داده شده است، ميتواند تقارن مشابه شبكه غيرمغناطيسي، كه در شكل 1 نشان داده شده است، داشته باشد. در اين حالت، هر دو شبكه به گونه اي تعريف ميشوند كه داراي تقارن سرگروه كه دانشمندان آن را 4 {اِم اِم} مينامند باشند. تصوير 2 (ماده مغناطيسي): اين شبكه مغناطيسي، كه معادل شكل نشان داده شده در تصوير 1 است، شباهت بين چرخشهاي مغناطيسي (پيكان هاي سبز رنگ در شكل 2) و حلقه جريان الكتريكي (پيكان هاي سبز رنگ در شكل 1) را نشان ميدهد. » تهيه: ساوا دنو، پن استيت.
يك تيم از محققين پن استيت (1) براي اولين بار نشان دادند كه تمام دسته هاي مواد غيرمغناطيسي، مانند آنهايي كه در اجزا برخي از كامپيوترها استفاده ميشوند، ميتوانند به طور قابل ملاحظه اي استفاده هاي بيشتري از آنجه كه دانشمندان تصور ميكردند داشته باشند. اين يافته ها به اين دليل اهميت دارند كه اطلاعات نامشخص قبلي در مورد ساختار اين مواد را آشكار ميكنند، شمار خواص بالقوه اي را كه آنها ميتوانند داشته باشند را بسط ميدهد. خواص يك ماده، مانند هدايت الكتريكي و استحكام مكانيكي، چيزهايي هستند كه سودمندي يك ماده را تعيين ميكنند. اين تحقيق در ژورنال فيزيكال ريويو لترز (2) منتشر خواهد شد.
خواص يك ماده به وسيله ساختارش تعيين ميشود، يك محقق در مركز دانش نانو پن استيت، پروفسور مهندسي و دانش مواد و سرپرست پروژه، ونكاترامن گوپالان (3) توضيح داد. "اگر من در حال پياده روي يك سنگ حاوي كريستال كوارتز پيدا كنم،تنها بر پايه چيزي كه ما آن را تقارن (4) جسم -تعداد و ترتيب سطوح كريستالي آن- مي ناميم ميتوانستم به شما بگويم كه كريستال چه ويژگيهايي را داراست و چه ويژگيهايي را دارا نيست. تقارن نتيجه شيوه قرار گرفتن اتم ها در كوارتز است." او افزود: "اين يك شيوه بسيار قدرتمند جهت شناخت دنياي اطراف ماست."
گمان ميشد مواد غيرمغناطيسي كه گوپالان و همكارانش مطالعه كردند يكي از 32 تقارن كريستال متفاوت -كه تقارنهاي سرگروه شناخته ميشدند- را داشته باشد كه در طبيعت يافت ميشوند. از سوي ديگر، مواد مغناطيسي به دليل اينكه ذرات اتمي آنها داراي چرخشهاي مغناطيسي (5) است، كه ميتوان آنها را به صورت حلقه هاي كوچك جريان الكتريكي تصور كرد، داراي 90 تقارن سرگروه متفاوت هستند. گوپالان گفت: "حركت يك جنبه بسيار پر اهميت از مغناطيس است." او افزود: "به محض اين كه ذرات باردار شروع به حركت يا چرخش كردند، مغناطيس در طبيعت ايجاد شد."
دانشمندان مدت ها بر اين عقيده بودند كه تقارن، به دليل اينكه جا به جا شدن جهت چرخش يك تقارن اضافي را ايجاد ميكند، به مواد مغناطيسي اين امكان را ميدهد كه خواص بيشتري نسبت به مواد غيرمغناطيسي داشته باشند. اما گروه گوپالان نشان داده است كه مواد غيرمغناطيسي، از لحاظ تئوري، ميتوانند دقيقا به همان مقدار خواص مواد مغناطيسي را داشته باشند. بر طبق گفته هاي گوپالان، بعضي از مواد غيرمغناطيسي داراي گروهي از اتمها هستند كه با دوران (6) و تاب خوردن (7) شكل آنها را به هم ميريزند. اين حركت ناچيز كه معادل يك حلقه كوچك جريان الكتريكي است كافيست تا به ماده برخي خواص اضافي را دهد كه قبلا تصور ميشد تنها متعلق به مواد مغناطيسي هستند.
اين محققين تئوري خود را از راه آزمايش با استفاده از استرونتيم تيتانات (8)، كه يك ماده غيرمغناطيسي است، امتحان كردند. آنها ماده را سرد كردند و كشف كردند كه اين اتم هاي اكسيژن هستند كه به وسيله تاب خوردن در يك ناحيه تنگ تر براي حفظ انرژي و فضا از خود واكنش نشان ميدهند. گوپالان گفت: "اتمهاي اكسيژن يك دوران كامل را،* مانند يك حلقه جريان الكتريكي كه در اجسام مغناطيسي اتفاق مي افتد، انجام نميدهند، اما تحليل هاي تئوري نشان ميدهند كه آنها عمل تاب خوردن را انجام ميدهند، بنابراين، اين احتمال وجود دارد كه اين مواد داراي خواص ناشناخته قبلي باشند."
در مرحله بعد، اين تيم بررسي كرد كه، آيا اين حركت تابي شكل در خواص اضافي ماده جلوه گر ميشود. به ويژه، آنها براي يك خاصيت بصري و قابل مشاهده كه آن را توليد هماهنگ دوّم روتو (9) مينامند، كه قابل مقايسه با خاصيت مشهوري به نام توليد هماهنگ دوّم مغناطيسي (10) است، محاسبه و آزمايش كردند. توليد هماهنگ دوم، براي مثال، در كريستال هاي مورد استفاده در اشاره گرهاي ليزري سبز رنگ، براي تبديل اشعه مادون قرمزليزر به اشعه سبز رنگ ليزر يافت ميشود.اين گروه كشف كردند كه ماده استرونتيم تيتانات داراي مقدار كوچكي از توليد هماهنگ دوّم روتو است.
گوپالان گفت: "هيچ كس تصور برقراري ارتباط بين تقارنهاي مغناطيسي با يك ماده غيرمغناطيسي مانند استرونتيم تيتانات را نميكرد، اما اين كاريست كه تحقيق ما با صراحت انجام ميدهد." او افزود: "ما در ابتدا يك تحليل تئوري انجام داديم كه در آن از چهارچوب تقارن، كه به طور مرسوم براي توصيف مواد مغناطيسي به كار برده ميشد، براي اين دسته بزرگ از مواد غيرمغناطيسي استفاده كرديم. ما سپس بر روي يك ماده غيرمغناطيسي خاص پژوهش هاي آزمايشگاهي انجام داديم و خاصيتي از آن را كشف كرديم كه قبلا تصور ميشد تنها به مواد مغناطيسي تعلق دارد.عقيده ما اين است كه احتمال داشتن تقارنها و خواصي، بيش از آنچه كه قبلا ممكن ميدانستند، براي تمامي دسته مواد غيرمغناطيسي وجود دارد."
يافته هاي اين تيم ميتواند منجر به انفجاري در زمينه تحقيق در مورد خواص جديدي از مواد غيرمغناطيسي و كاربردهاي احتمالي اين خواص شود. پيتر شيفر (11)، نائب رئيس همكار در تحقيق و پروفسور فيزيك در پن استيت، گفت: "اين مواد در صدها مورد كاربرد استفاده ميشوند." او افزود: "اما اين كار كار جديد وعده بزرگي براي پيدا كردن استفاده هاي بسيار بيشتر را ميدهد."
پاسخ با نقل قول
علاقه مندی ها (بوک مارک ها)