تأثيرات الكم المغناطيسي في المواد الصلبة، حيث أن تعاون دولي من الباحثين نجح لأول مرةٍ في إجراء بحثٍ منهجيٍّ عن التأثيرات الكمومية المغناطيسية في نموذج هايزنبرغ ثلاثي الأبعاد المعروف جيدًا على الشبكة البلورية لـ (البيروكلور – Pyrochlore)، الاكتشاف المثير للدهشة هو أنّ الأطوار الكمية الفيزيائية تتشكّل عند قيم (الدوران المغزلي – Spin) الصغيرة فقط.

تترتب الذرات والجزيئات في المواد البلورية الصلبة في شبكةٍ منتظمةٍ ثلاثية الأبعاد، وتتفاعل الذرات مع بعضها البعض بواسطة العديد من القوى المختلفة لتصل في نهاية المطاف إلى أقل مستويات الطاقة. تتجمد الاهتزازات الذرية عند الصفر المطلق في الشبكة البلورية إلى الحد الذي تهيمن فيه التفاعلات بين الدورانات المغزلية للإلكترون.

وعندما لا تستطيع جميع الدورانات المغزلية الاصطفاف في نفس الوقت للوصول إلى أقل مستوى من الطاقة تحدث حالة خاصة مثيرة للاهتمام، وينتج عن ذلك نظام مُثبّط تكون فيه الدورانات المغزلية غير منتظمةٍ تمامًا لذلك يشار إليها بـ (الدوران المغزلي السائل – Spin Liquid).

البنية البلورية المكعبة

أحد النماذج الرائدة لدراسة المغناطيس الكمي المثبّط ثلاثي الأبعاد هو نموذج هايزنبيرغ على الشبكة البلورية للبيروكلور ذو البنية البلورية المكعبة البسيطة. ومع ذلك، فقد كان من الصعب جدًا حتى الآن الحصول على تنبؤاتٍ عمليةٍ من ذلك النموذج النظري، بالنسبة لموادٍ ودرجات حرارةٍ معينة.

وقد أجرت فرق بحثية من ألمانيا واليابان وكندا والهند بحوثًا منهجيةً في هذا النموذج بمساعدة طريقةٍ نظريةٍ جديدةٍ وقُضِي على العديد من هذه الصعوبات. من الممكن باستخدام هذه الطريقة الجديدة تغيير قيمة الدوران المغزلي لشبكة الذرات وكذلك درجة الحرارة وعوامل التفاعل الأخرى وحساب نطاقات العوامل التي تحدث فيها تأثيرات كمومية مغناطيسية غير مألوفة، أُجريت هذه الحسابات في مركز لايبنيز للحوسبة الفائقة (LRZ) في ميونخ.

التأثيرات الكمومية على قيم الدوران المغزلي الصغيرة فقط

يقول الفيزيائي النظري البروفيسور يوهانس روثر Johannes Reuther المؤلف والمشارك في الدراسة: «لقد تمكنا من إثبات أنّ التأثيرات الفيزيائية الكمومية تحدث فجأةً فقط عبر نطاقات العوامل المحدودة للغاية». تكون هذه التأثيرات الكمية أكثر وضوحًا عند أصغر دورانٍ مغزليٍّ ممكن (تكون قيمة الدوران المغزلي 1/2)، ومع ذلك فإنَّ أنظمة الدوران المغزلي في البنية البلورية التي جرى العمل عليها من قبل الفريق البحثي تتصرف بشكلٍ كاملٍ تقريبًا مثل النظم الفيزيائية الكلاسيكية التي تحمل قيم 1.5 فما فوق.

يعمق العمل المنشور فهمنا للمواد الصلبة ويساهم في التقدم المنهجي في البحث عن السوائل ذات الدوران المغزلي ثلاثي الأبعاد في المواد الكمومية.

  • ترجمة: سرمد يحيى
  • تدقيق: رند عصام
  • تحرير: مازن سفّان
  • المصدر