جهان با ذرات فتوالکتریک متحول می‌شود

 

مجله علمی ایلیاد - بیش از هشت دهه بعد از اینکه فیزیکدانان پیش‌بینی کردند که واحدهای مجزایی از ماده وجود دارد که می‌تواند در درک بهتر برابری الکتریکی فرومغناطیس به ما کمک کند، شواهد آن‌را یافته‌ایم. در حالی که بعضی از مواد، مغناطیس‌های دائمی هستند که میدان مغناطیسی خودشان را تولید می‌کنند، برخی دیگر از مواد، مانند آهن، فرومغناطیس هستند و تحت تاثیر میدان مغناطیسی به مغناطیس‌ها متصل می‌شوند. فروالکتریک هم به لحاظ نظری، به همان شیوه کار می‌کند. اما این جزء الکتریکی میدان الکترومغناطیسی است که آن‌ها را تغییر می‌دهد، نه جزء مغناطیسی آن. خیلی هیجان‌انگیز به‌نظر نمی‌رسد، اما گشودن قدرت فروالکتریک می‌تواند موجب پیشرفت تکنولوژی ذخیره‌سازی داده‌ها شود که به ما این امکان را می‌دهد تا دستگاه‌های خود را خیلی بیشتر تجهیز کنیم.

همچنین می‌تواند رمز و رازی قدیمی در فیزیک را حل کند، زیرا تا کنون این ذرات فرض شده‌اند، اما هرگز مشاهده نشده‌اند. این ذرات که «هیسترون» نامیده می‌شوند، انباشت‌های نانومقیاسی از مولکول‌ها هستند که مانند ذرات مستقلی در انبوه و شلوغی عمل می‌کنند. محققان دانشگاه لینکوپینگ سوئد و دانشگاه صنعتی آیندهوون هلند، در حین بررسی نحوه‌ی پیروی مولکول‌ها از قوانین فروالکتریک در دو ماده‌ی مختلف، آن‌ها را یافتند. برای درک بهتر فروالکتریک بیائید به قُل دیگر آن، یعنی فرومغناطیس رجوع کنیم. اگر علم را مطالعه کنید به یاد خواهید آورد که یک فعالیت کلاسی رایج شامل ضربه‌زدن به سوزنی با استفاده از آهنربایی قوی به منظور ایجاد آهنربای مفناطیسی، است.

این امر نتیجه می‌دهد؛ زیرا سوزن از ماده‌ای مانند آهن یا نیکل ساخته شده است. آهن یا نیکل یا موادی از این قبیل، دارای خواص اتمی مناسبی برای شکل‌گیری مجدد ذرات آن در بُعد مغناطیسی میدان الکترومغناطیسی هستند. فروالکتریک هم تقریباً به همین شکل است، فقط ذرات در این مواد تحت تاثیر کشش جزء الکتریکی میدان الکترومغاطیسی، دائماً به شکل جدیدی تبدیل می‌شوند. آن‌ها تقریباً مانند دو روی یک سکه هستند و به نحوه‌ی آرایش ذرات به‌عنوان واحدهایی به‌نام «دوقطبی» نزدیک می‌شوند.

ما در فرومغناطیس، آن‌ها را به‌عنوان قطب‌های شمال و جنوب قلمداد می‌کنیم. اگر در مورد مواد فروالکتریک صحبت ‌کنیم، آن‌ها را قطب‌های مثبت و منفی تلقی می‌کنیم. دوقطبی‌ها معمولاً به صورت تصادفی آرایش یافته‌اند که به تمامی جهت اشاره دارد؛ به همین دلیل است که بسته‌ی ناخن‌های آهنی شما مانند جعبه‌ای از آهنرباهای مغناطیسی به هم نمی‌چسبد. اما تحت فشار و اجبار میدان مغناطیسی یا الکتریکی به اندازه‌ی کافی قوی، تک تک آن قطب‌ها جملگی قطبش می‌کنند و با هم عمل می‌کنند تا میدان منسجمی از خودشان بسازند.

 

سوال بزرگ این است که «به اندازه کافی قوی» به چه معنا است؟ چرخش آن دوقطبی‌ها بستگی به این دارد که چه نیروهایی آن‌ها را در محل نگه می‌دارد؛ تاثیری که «هیسترسیس» نام دارد. در جهان ایده‌آل، کل بخش ماده نیز به همین طریق هیسترسیس را نشان می‌دهد. اما کسی فراموش کرده که به طبیعت بگوید و در گروه‌های کوچک مولکول‌ها در تکه‌ها مشابهی از مواد، تحت تاثیر عواملی قرار می‌گیرند که آن‌ها را وادار می‌کنند، حرکت کنند و به یکدیگر ضربه بزنند. وقتی به قطب‌های شمال و جنوب نگاه می‌کنیم، این تکه‌های مولکول‌ها «دامنه» نامیده می‌شوند. در سال ۱۹۳۵ فیزیکدانی به نام «فرانس پرایساک»، اندیشه‌های خود را در مورد برابری الکتریکی که وی آن‌را هیسترون نامید، منتشر کرد. طبق مدل پرایساک، تک تک هیسترون‌ها باید با قدرت‌های مختلف میدان واکنش کنند؛ به‌طوری که گویی ذرات مجزایی از ماده هستند، دقیقاً مانند دامنه‌ها. این ایده‌ی شسته و رفته‌ای است، اما فیزیکدانان تا به حال پیشرفت زیادی در جزئیات مربوط به نظریه‌ی این واحدها نداشته‌اند.

پژوهشگران در حال حاضر با مقایسه‌ی جفتی از مواد آلی فروالکتریک با ساختارهای منحصربه‌فرد، آرایش‌های مولکولی‌ای را تشخیص داده‌اند که شبیه به هیسترون‌های فرضی است. در حالی که تفاوت‌های زیادی دارند، اما هر دو ماده حاوی انباشت‌های نانومتری با عرض وسیعی از مولکول‌ها و طول چندنانومتری هستند. پژوهشگر اصلی مطالعه «مارتیجن کمرینک» از دانشگاه لینکوپینگ، گفت: «ترفند این است که آن‌ها اندازه‌های مختلفی دارند و با یکدیگر به شدت تعامل می‌کنند، زیرا بسیار نزدیک به یکدیگر هستند. بنابراین هر انباشت، به جز اندازه‌ی منحصربه‌فرد خود، محیط متفاوتی از سایر انباشت‌ها را احساس می‌کند که توزیع پرایساک را توضیح می‌دهد.»

از آن‌جایی که بیشتر مواد فروالکتریک نسبتاً مشابه هستند، باید به سختی عمل کنند تا دو عدد از آن‌هایی را بیابند که به اندازه‌ی کافی متفاوت باشند تا تغییرات و گوناگونی‌ها را کمتر کنند. سپس چالش دستکاری انباشت‌های مولکولی وجود داشت تا نشان داده شود که آن‌ها هم دقیقاً مانند هیسترون‌ها رفتار می‌کنند. کمرینک می‌گوید: «اکنون که نشان دادیم که مولکول‌ها در مقیاس نانومتری چگونه با یکدیگر تعامل می‌کنند، می‌توانیم شکل منحنی هیسترسیس را پیش‌بینی کنیم. این نیز توضیح می‌دهد که چرا این پدیده، به این شکل عمل می‌کند.» بسیاری از دستگاه‌های حافظه‌ای که ما در محاسبات به آن‌ها اتکا می‌کنیم، بر تغییر دوقطبی‌های مغناطیسی در مواد فرومغناطیس متکی هستند. پژوهشگران در حال حاضر، با داشتن راه‌های بهتری از مدل‌سازی فعالیت فروالکتریک می‌توانند طرح‌هایی را برای دستگاه‌هایی که می‌تواند حتی اطلاعات بیشتری را به هر واحد بدهد، کشف کنند.

این تحقیق در مجله‌ی Nature Communications منتشر شده است.

نوشته: مایک مک‌را
ترجمه: زهرا جهانبانی – مجله علمی ایلیاد