توصل العلماء للدليل التجريبي الأول لنظرية المغناطيسية
كتبت: مها طـه
توصل الفيزيائيون أخيرًا إلى السلوك المغناطيسي لفئة خاصة من المواد ثنائية الأبعاد في المعمل، ما أدى لتقديم الدليل التجريبي الأول لنظرية المغناطيسية التي يبلغ عمرها نحو 70 عامًا.
هذه النظرية والمعروفة باسم (Onsager solution–حل أونساجر)، تشرح سلوك المواد ثنائية الأبعاد التي يكون سُمكها ذرة واحدة مثل الجرافين في مرحلة الانتقال المغناطيسية، تمامًا كما يحدث عند تحول H2O من الجليد إلى الماء السائل، حيث تُمثل مرحلة الانتقال المغناطيسي، كيفية فقد المواد للخاصية المغناطيسية، في حالة رفع درجات الحرارة.
وعلى الرغم من أن هذه العملية تم وصفها منذ أكثر من 70 عامًا، بواسطة العالم «لارس أونساجر» الحاصل على جائزة نوبل في الكيمياء، وكانت الأساس للعديد من الأبحاث على مدار عقود حتى الآن، ولكن التوصل لهذا الاكتشاف لم يستطع أحد إثبات حقيقتها معمليًا.
قال «جي جيون بارك»، من معهد العلوم الأساسية في كوريا الجنوبية، أن حل أونساجر يتم تدريسها في كل مقرر تعليمي متقدم للميكانيكا الإحصائية، ومع ذلك فإن النظرية لم يتم اختبارها معمليًا وهو ما جعله يشعر بالعار كونه معمليًا، ولذلك اتخذ الخطوة بضرورة إثبات التجربة بشكل عملي.
أشهر تحولات المادة التي نعرفها هي التحول من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة والحالة السائلة إلى غازية، ولكن هناك التحولات المغناطيسية أيضًا، وذلك لأن بعض المواد ثلاثية الأبعاد، مثل منجنيز الحديد وأكسيد النيكل، تتمتع بالمغناطيسية بسبب حركة الإلكترونات فيما يُعرف باسم (antiferromagnetism–مضاد المغناطيسية الحديدية).
دوران الإلكترون يعمل وكأنه مغناطيس صغير يتوجه في اتجاه معين، وفي درجات الحرارة المنخفضة للغاية، تميل هذه الإلكترونات للاصطفاف في ترتيب معين مما يجعل المادة مغناطيسية، ولكن في درجات حرارة معينة، تفقد هذه الإلكترونات اتساقها وتصبح عشوائية، مما يُفقدها المغناطيسية.
مرحلة التحول من المغناطيسية لغير المغناطيسية تُعرف باسم (المرحلة الانتقالية المغناطيسية)، حتى تلك المواد ثلاثية الأبعاد تفقد مغناطيسيتها عند نقطة معينة، تمامًا مثل ما يحدث عند ذوبان الجليد وتحوله للحالة السائلة، وبفضل ذلك التحول يخسر الجليد هيكله الصارم في ظل درجات حرارة أعلى.
المواد ثلاثية الأبعاد تُعتبر مفهومة، كما أن المواد أحادية البعد تعتبر أيضُا مفهومة بناءًا على استنتاج أن هذه الجزيئات المفردة لا تخضع للتحولات المرحلية، ويحدث هذا فقط عند ربط الجزيئات معًا في شكل مادة.
حينما يأتي الدور لتفسير المواد ثنائية الأبعاد، يختلف الأمر قليلًا، وهو ما كشف عنه الكيميائي «لارس أونساجر» عن حل للمشكلة، عن طريق حساب المرحلة الانتقالية للمواد ثنائية الأبعاد، بما فيها مرحلة الانتقال المغناطيسي، وتوصل لهذه النظرية التي أثرت في الفيزياء بشكل كبير منذ ذلك الحين.
الشئ الوحيد الذي تبقى هو إختبار هذه النظرية بشكل معملي، لإثبات حقيقة انتقال المواد ثنائية الأبعاد، ولذلك قام «بارك» وفريقه بإنتاج بللورات مغناطيسية من (FePS3)، ثم قاموا بتقسير طبقات من البلورات باستخدام شريط لاصق، لتشكيل صفائح ثنائية الأبعاد من المادة.
باستخدام تقنية طيف رامان، قام الفريق بقياس الاهتزازات الصغيرة داخل المادة لمعرفة مغناطيسيتها في درجات حرارة معينة، حيث أن المزيد من الاهتزازت تعني مغناطيسية أقل للمادة.
المصادر: apexmagnet pubs sciencealert
