ارائه‌ی روشی برای سنجش میدان‌های مغناطیسی ضعیف

مجله علمی ایلیاد - فیزیکدانان دانشگاه لووا، روش جدیدی برای تشخیص و اندازه‌گیری موادی که سیگنال‌های مغناطیسی ضعیف ساتع می‌کنند و یا اصلاً سیگنال مغناطیسی ساتع نمی‌کنند، ارائه داده‌اند. روش آن‌ها، استفاده از کاوشگری غیرتهاجمی برای القای پاسخ مغناطیسی در ماده‌ی مورد مطالعه و سپس بررسی تغییرات میدان مغناطیسی کاوشگر در اثر پاسخ ماده است. 

این روش قابلیت کاربرد زیادی دارد که از جمله می‌توان به افزایش بازده ماشین‌های عکس‌برداری رزونانسی مغناطیسی (MRI)، توسعه‌ی حافظه‌های پر سرعت در صنعت نیمه‌رساناها و تولید واحدهای مرکزی پردازش کامپیوتر (CPU) با کارایی بالاتر اشاره کرد. «مایکل فلت»، پروفسور فیزیک و نجوم و یکی از نویسندگان مقاله‌ی چاپ شده در مجله‌ی Physical Review Letters می‌گوید: «این روش، برای مواقعی طراحی شده است که بدون قطعه‌ی کاوشگر، چیزی مشاهده نخواهید کرد. آن‌جا هیچ گونه میدان مغناطیسی وجود ندارد. فقط خود قطعه‌ی کاوشگر، باعث وجود میدان مغناطیسی شده است.»

کاوشگر این کار را با ایجاد گشتاور مغناطیسی درون موادی که میدان مغناطیسی ضعیفی تولید می‌کنند و یا اصلاً میدان مغناطیسی ندارند، انجام می‌دهد. گشتاور مغناطیسی زمانی ایجاد می‌شود که گروهی از الکترون‌ها، مانند دسته‌ای از سوزن در یک جهت قرار گیرند. جهت‌گیری یکسان الکترون‌ها، باعث ایجاد میدان کوچک مغناطیسی می‌شود. به عنوان مثال، آهن پاسخی قوی ایجاد می‌کند؛ چرا که اکثر الکترون‌های آن زمانی که در معرض نیروی مغناطیسی قرار می‌گیرند، جهت‌گیری یکسانی خواهند داشت.

همه‌ی چیزی که برای کاوشگر که دارای قطر تنها چند نانومتری است، در ساختن گشتاور مغناطیسی اتفاق می‌افتد، این است که دو عدد از شش الکترون آن به یک‌باره به یک سمت جهت‌گیری می‌کنند. وقتی این اتفاق می افتد، کاوشگر به اندازه‌ی کافی از الکترون‌های ماده‌ای که میدان مغناطیسی ضعیفی دارد و یا اصلاً میدان مغناطیسی ندارد، را تحریک می‌کند و در ماده گشتاور مغناطیسی ایجاد می‌کند. چگونگی تأثیر گشتاور مغناطیسی ایجاد شده در ماده بر روی میدان مغناطیسی خود کاوشگر، قابل اندازه‌گیری است و این کار به محققین اجازه می‌دهد، تا بتوانند ابعاد فیزیکی ماده مانند ضخامت آن را محاسبه کنند. فلت، رئیس مرکز تکنولوژی‌های علوم نوری دانشگاه لووا می‌گوید: «این الکترون‌های درون موادی که میدان مغناطیسی ضعیفی دارند و یا اصلاً میدان مغناطیسی ندارند، دارای میدان‌های به‌خصوص خودشان هستند و روی کاوشگر تأثیر می‌گذارند و باعث وارد آمدن نیرو به کاوشگر می‌شوند که می‌توان آن را اندازه‌گیری کرد.»

این کار زمانی مهم‌تر می‌شود که که شما خواسته باشید، ابعاد لایه‌ی مغناطیسی که در زیر لایه‌های غیرمغناطیسی دفن شده و یا بین لایه‌های غیرمغناطیسی قرار گرفته‌اند را محاسبه کنید. این موقعیت‌ها عمولاً هنگام کار با نیمه‌رساناها بوجود می‌آید و با پیشرفت پردازنده‌های کامپیوتری افزایش نیز خواهد یافت. فلت می‌گوید: «ما پاسخ مغناطیسی را محاسبه می‌کنیم و از آن‌جا می‌توانیم بفهمیم کجا میدان مغناطیسی تمام شده است و بنابراین ضخامت لایه را به دست می‌آوریم.»

مفهومی که روش ارائه شده بر اساس آن ساخته شده است «مغناطیس‌سنجی مرکز خلأ نیتروژن» نام دارد. این روش که بر نقصان ایجاد شده در ساختار کریستالی الماس تکیه دارد، تا قسمتی کارآمد است؛ چرا که کاوشگر استفاده شده از جنس الماس است که گشتاور مغناطیسی کوچکی ایجاد می‌کند و نقش اصلی را در تشخیص میدان‌های مغناطیسی، در مواد مورد مطالعه ایفا می‌کند. نکته‌ای که وجود دارد، این است که مغناطیس‌سنجی مرکز خلأ نیتروژن فقط برای مواد مغناطیسی کارایی دارد و شامل ابررساناها که در آن‌ها میدان مغناطیسی فقط در دماهای خاص وجود دارد، نمی‌شود و همچنین بسیاری از مواد دیگر را نیز شامل نمی‌شود. فلت و همکارش «جوست ون‌بری» با استفاده از کاوشگری که بتواند میدان مغناطیسی ایجاد کند و باعث شود مواد با میدان‌های ضعیف و بدون میدان به آن واکنش نشان دهند، به دنبال راه‌حلی برای این مشکل بوده‌اند.

فلت می‌گوید: «اگر ابررسانایی را در معرض میدانی مغناطیسی قرار دهید، تلاش خواهد کرد تا میدان را از بین ببرد که اگر حتی بتواند این کار را انجام دهد، در نتیجه میدانی مغناطیسی در بیرون خودش به وجود می‌آورد که بر روی جهت الکترون‌ها تأثیر خواهد گذاشت که در ادامه می‌توان آن را تشخیص داد.»

 

نوشته: ریچارد لوئیس

ترجمه: مجله علمی ایلیاد

منبع: phys.org