النواقل الفائقة المغنطيسيّة الحديديّة
السلام عليكم ورحمة الله وبركاته
احبائي الكرام
اثناء بحثي على الشبكة وجدت هذا الموضوع والبحث الرائع فاردت نقله اليكم راجيا ان تجدوا فيه المتعه والفائدة ان شاء الله
ملخص :
أنهى الاكتشاف الجديد لمواد مغنطيسية، وهي في الوقت ذاته نواقل فائقة، الخلاف بين ظاهرتين فيزيائيتين كان يُعتقد في السابق أنهما متعارضتان.
تم الكشف عن الانتقال المباغت لمعدن إلى حالة النقل الفائق بالاختفاء التام للمقاومية الكهربائية في الدرجات المنخفضة من الحرارة. وبالفعل، فإن التيار في دارة نقل فائق مغلقة يستطيع أن يدور باستمرار بدون تخميد. واكتُشفت خاصّة أساسية أخرى لحالة النقل الفائق عام 1933 عندما أثبت والتر مايسنر W. Meissner وروبرت أوكسنفيلد R. Ochsenfeld أنّ النواقل الفائقة تطرد أي حقل مغنطيسي تتجاوز شدته قيمة حرجة ما http://4kemya.com/images/Articles/image214.gif.
تحاول كلّ من الناقلية الفائقة والمغنطيسية عادةً تجنب كل منهما الآخر، ويمكن أن تُسْتثمر هذه الميزة مثلاً لجعل مغنطيس يرتفع سابحاً في الهواء فوق الناقل الفائق. ومن أجل هذا فإن الاكتشاف الحديث للمركّبات، التي هي ذات مغنطيسية حديديّة وذات نقل فائق في الوقت نفسه، بدا وكأنه مفاجأة لكثير من الفيزيائيين.
الناقلية الفائقة الأحادية والثلاثية :
ابتدع كل من جون باردين J. Bardeen و ليون كوبر L. Cooper وروبرت شريفر R. Schrieffer النظرية المجهرية للناقليّة الفائقة عام 1957. ووِفْقَ هذه النظرية التي يطلق عليها اسم نظرية BCS تنتظم الإلكترونات لتشكل أزواجاً تعرف باسم أزواج كوبر Cooper Pairs نتيجة للتآثرات مع الشبيكة البلّورية في درجات الحرارة المنخفضة. لهذه الإلكترونيات في أزواج كوبر قيمٌ متعاكسة من الاندفاع، مما يعني بأن للأزواج نفسها بصورة عامة اندفاعاً زاوياً مدارياً يساوي الصفر. يقود تشكّل أزواج كوبر أيضاً إلى توليد فرجة طاقية ذات ناقلية فائقة، مما يعني بأن الإلكترونات المفردة لا تستطيع شغل حالات قريبة من سطح فِرمي Fermi. إن مثل هذه الفرجات الطاقية – التي تساوي بصورة أساسيّة الطاقة اللازمة لتحطيم أزواج كوبر – تبدو بوضوح كتناقص أسّي للحرارة النوعية والناقلية الحرارية عند درجة حرارة تعرف بالدرجة الحرجة http://4kemya.com/images/Articles/image215.gif .
نجحت نظرية BCS تماماً في تفسير معظم النواقل الفائقة، ولكن الاكتشاف، الذي تمّ عام 1986 لصنف جديد من المواد التي تنقل نقلاً فائقاً في درجات عالية من الحرارة، يبقى تحدّياً للنظريين، ولا يوجد هنالك حتى الآن تفسير نظريٌّ لا لبسَ فيه لهذه الظاهرة.
إنّ مشاهدة الناقلية الفائقة في النواقل العضوية ومنظومات الفِرميونات الثقيلة والروثينات والنواقل الفائقة المغنطيسية الحديدية الجديدة والأكثر حداثة تقدم حججاً قوية لوجود أنواع من الناقلية الفائقة أكثر غرابة. وبالفعل، فإن الناقلية الفائقة في المغانط الحديدية يجب أن تنتج من نوع مختلف لآلية التزاوج الإلكتروني، ففي هذه المواد تتجمع الإلكترونات، التي سبيناتها تتجه في الاتجاه نفسه، بعضها مع بعض لتشكيل أزواج كوبر ذات واحدة السبين والتي تقضي إلى ما يسمى بالناقلية الفائقة الثلاثية. وبالمقابل، تحصل الناقلية الفائقة العادية – والتي يطلق عليها اسم الناقلية الفائقة الأحادية – عندما ترتبط الإلكترونات ذات السبينات المتعاكسة مع بعضها لتشكيل أزواج كوبر لها اندفاع وسبين مساويان للصفر.
يستطيع الحقل المغنطيسي أن يحطّم الناقلية الفائقة الأحادية بطريقتين يطلق على الأولى اسم المفعول المداري وهي بكل بساطة مظهر لقوة لورنتس Lorentz. ولما كان الإلكترونات في أزواج كوبر لها اندفاعات متعاكسة، فإن قوة لورنتس تعمل في اتجاهات متعاكسة وتحطّم الأزواج. وتحصل الظاهرة الثانية التي تُدعى بمفعول المغنطيسية المسايرة عندما يحاول حقل مغنطيسي قوي أن يرصف سبينيّ الإلكترونين على منحى اتجاه الحقل.
تتحطّم الناقلية الفائقة الأحادية بالحقول التي هي أكبر من http://4kemya.com/images/Articles/image216.gif لكن مثل هذه الحقول لا تحطم الناقلية الفائقة الثلاثية لأنّه من الممكن لسبينيّ الإلكترونين أن يتجها في اتجاه الحقل نفسه. ويعني هذا أنّه من الممكن تحطيم الناقلية الفائقة بالمفعول المداري.
يتبع ...
رد: النواقل الفائقة المغنطيسيّة الحديديّة
أنواع مختلفة للترتيب المغنطيسي والناقلية الفائقة :
تنشأ المغنطيسية الحديدية عندما يقوم عدد كبير من الذرّات أو الإلكترونات برصف سبيناتها في الاتجاه نفسه. هنالك في الحقيقة مصدران من المغنطيسية في المعادن وهما العزوم المغنطيسية المتوضعة و "بحر" إلكترونات النقل. تحصل المغنطيسية الموضعية في المعادن الترابية النادرة (مثل الغادولينيوم) والأكتنيدات (مثل النبتونيوم) نتيجةً لعدم امتلاء الطبقات الذرّية الداخلية بالإلكترونات بشكل كامل. وبالتالي يقود هذا إلى عزم مغنطيسي محدّد تماماً في كل موقع ذرّي ثابت، الذي يُنتج بدوره اقتراناً مغنطيسياً طويل المدى نتيجة لتبادل إلكترونات النقل.
ينشأ النوع الثاني من المغنطيسية – والمعروف باسم المغنطيسية العُصابية – من العزوم المغنطيسية لإلكترونات النقل نفسها. تكون الإلكترونات في المعادن "متجوّلة" أي أنها حرّة في التحرّك من موقع ذرّي إلى آخر، وتميل لأن ترصف عزومها المغنطيسية في اتجاه حقل مطبق. يحصل هذا أيضاً في سبائك اليورانيوم والجرمانيوم http://4kemya.com/images/Articles/image217.gif و http://4kemya.com/images/Articles/image218.gif، الناقلين الفائقين المغنطيسيين الحديديين اللذين اكتُشفا حديثاً من قبل فريق لدى جامعة كمبردج في المملكة المتحدة وفي مختبرات مفوضية الطاقة الذرّية الفرنسية (CEA) في غرونوبل.
تملك المغانط الحديدية فقط عزماً مغنطيسياً صافياً في الدرجات المنخفضة من الحرارة. ويظهر الحقل المغنطيسي الداخلي بشكل تلقائي عند ما يسمى بدرجة حرارة كوري Curie، التي تقع بشكل نموذجي في المجال من 10 إلى 1000 درجة كلفن. لكن في الدرجات الأعلى من الحرارة، تغيّرُ العزوم المغنطيسية للذرّات بصورة مستمرة اتجاهها مما يجعل العزم النهائي مساوياً للصفر. يحصل انتقال مغنطيسي مشابه في المغانط الحديدية المضادة – وهي مواد تكون فيها سبينات الذرّات المتجاورة متوجّهة في اتجاهين متعاكسين – ويتمّ هذا الانتقال عند درجة حرارة نيل Neel ويؤدي إلى اختفاء الحقل المغنطيسي الداخلي.
وبالرغم من أن الناقلية الفائقة والمغنطيسية تبدوان ظاهريتين متضادتين، لكن هل توجدان معاً في المركّب نفسه؟ إن أول من طرح هذا السؤال هو الفيزيائي النظري الروسي فيتالي غينسبرغ V. Ginzburg عام 1957، لكن التجارب السابقة التي قام بها بيرند ماتثياس B. Matthias في عام 1959، في لوس ألاموس آنذاك أثبتت أن تركيزاً ضئيلاً جداً من شوائب مغنطيسية من العناصر الترابية النادرة – ولو بنسبة قليلة في المئة – كافٍ أن يحطّم الناقلية الفائقة كلياً عند وجود الترتيب المغنطيسي الحديدي.
إن أصل هذه الظاهرة الهدّامة هو التآثر الكمومي بين سبينات الإلكترونات والعزوم المغنطيسية الذريّة. يحاول هذا "التآثر التبادلي" تحت درجة حرارة الانتقال إلى الناقلية الفائقة أن يرصف أزواج كوبر، ولهذا فإن تآثرات التبادل تضع حدوداً ضيّقة على وجود الناقلية الفائقة.
ومع ذلك، يمكن لبلّورات النقل الفائق التي تملك شبيكة تحتية مغنطيسية حديدية مضادّة من الذرّات الترابية النادرة أن توجد بشكل أكيد. اكتُشِفت أولى هذه المواد – مركبات ثلاثية من العناصر الترابية النادرة (RE) وكبريتيد الموليبديونوم (http://4kemya.com/images/Articles/image219.gif) – عام 1975 من قِبل فريق أويتاين فيشر Fischer. في جامعة جنيف، وبعد ذلك بسنتين، وجد ماتثياس في مختبرات بيل في نيوجيرسي ومعاونوه السلوك نفسه في سلسلة سبائك بوريد الروديومخ ( http://4kemya.com/images/Articles/image220.gif). تكون معظم هذه المركّبات ذات نقل فائق تحت درجة حرارة حرجة بين 2k و 10k. وتخضع إلى انتقال طوري مغنطيسي في المجال -.5-k4 .
أثبتت تجارب التبعثر النتروني أن طور النقل الفائق لجميع هذه المواد من الناحية العملية له ترتيب مغنطيسية حديدية مضادة طويل المدى. وبالفعل، يمكن للناقلية الفائقة والمغنطيسية الحديدية المضادة أن توجدا معاً بشكل مريح لأن العزوم المغنطيسية في هذه المركّبات ليس لها، في المتوسط، غالباً أيّ تأثير على أزواج كوبر، ونعني بأن تآثر التبادل يساوي صفراً.
التعارضات الداخلية :
ولكن هل يمكن للناقلية الفائقة والمغنطيسية الحديدية أن توجدا معاً؟ إن الإجابة على هذا السؤال أكثر إثارة بكثير. يمكن أن توجد بعض المعلومات المفتاحية في بوريد الروديوم والإرييوم ( http://4kemya.com/images/Articles/image221.gif) وكبريتيد الموليبدينوم والهولميوم (http://4kemya.com/images/Articles/Image222.gif) – تتحطم الناقلية الفائقة في كل من هاتين المادتين عند بدء تطبيق انتقال طوري مغنطيسي حديدي من المرتبة الأولى.
يكون http://4kemya.com/images/Articles/image221.gif مثلاً، ناقلاً فائقاً تحت درجة 8.7 كلفن. وعند تبريده إلى درجة حرارة كوري، وهي الدرجة 1 كلفن، تظهر بنية مغنطيسية "معدّلة" بدلاً من ترتيب مغنطيسي حديدي (الشكل 1). ويعني هذا بأن العزوم المغنطيسية المتجاورة تصطفّ في الاتجاه نفسه، بالرغم من أن سعة التمغنط تتغير جيبياً في المكان. ولكن http://4kemya.com/images/Articles/image221.gif يبقى ناقلاً فائقاً عند هذه الدرجة من الحرارة. وعلى وجه الدقة، فإن المادة ليست مغنطيسية حديدية لأنها تحتوي على بُنى "شبيهة بالمناطقية" مع عزوم مغنطيسية متناوبة. لقد كُشفت هذه البنية بتجارب التبعثر النتروني، وتبيّن من قياس دورها أنه يبلغ حوالي 10 نانومتر.
1- المناطق والتيارات الفائقة :
يمكن أن توجد الناقلية الفائقة الأحادية في النواقل الفائقة المغناطيسية الحديدية مثل بوريد الإربيوم الروديوم (http://4kemya.com/images/Articles/image221.gif) بفضل تشكل بنية شبيهة بالمناطقية يكون http://4kemya.com/images/Articles/image221.gif ناقلاً فائقاً تحت الدرجة 8.7 كلفن، ولكن عند تبريده إلى حوالي الدرجة 1 كلفن فإن البنية المغناطيسية المعدّلة هذه تظهر بدور d يكون هذا الدور أصغر من قدّ زواج كوبر ، تتجه جميع العزوم المغنطيسية في كل منطقة إلى الاتجاه نفسه، ولكن سبينات المناطق المتجاورة تتناوب. وعلى وجه الدقة، لا يكون http://4kemya.com/images/Articles/image221.gif مغنطيسياً حديدياً حتى يبرّد إلى ما تحت الدرجة 0.8 كلفن. وتحت درجة الحرارة هذه تحطم الجدران المناطقية، وتتجه جميع السبينات نحو الاتجاه نفسه وتتدمر الناقلية الفائقة .
وعلاوة على ذلك، وفي عام 1983 أنجز سونيل ك سينها S.K. Sinha وجورج كرابتري G. Crabtree ومعاونوه في المختبر الوطني في آرغون في فترة متزامنة تجربة التبعثر النتروني والمقاومية على http://4kemya.com/images/Articles/image221.gif . وبيّنوا أن زيادة التبريد إلى الدرجة 0.8 كلفن يؤدي إلى انتقال طوري من المرتبة الأولى إلى الطور الماغنطيسي الحديدي وتختلفي الناقلية الفائقة. يعتبر http://4kemya.com/images/Articles/image221.gif مثالاً نادراً جداً لمركّب تتحطم خواصه في الناقلية الفائقة في درجات الحرارة المنخفضة جداً.
ما هو أصل مثل هذا السلوك، وما هي طبيعة طور التواجد معاً في مجال من درجات الحرارة يتراوح ما بين 0.8 و 1 كلفن؟ في الحالة المغنطيسية، يؤثر وجود العزم المغنطيسي الذرّي المتموضع على توزيع سبينات الإلكترونات المتجاورة بسبب التآثر التبادلي. ويتآثر سبين الإلكترون "المحرَض" بدوره مع العزوم المغنطيسية للذرّات الأخرى والذي يدعى تآثر روديرمان – كيتيل – كاسويا – يوسيدا – Ruderman – Kittel – Kasuya – Yosida. وتزيد الطاقة المكتسبة بالذرّات، بسبب الانتقال المغنطيسي، بشكل أكبر بكثير عن الطاقة المكتسبة بالإلكترونات عندما تُشكل أزواج كوبر عند الانتقال المغنطيسي، بشكل أكبر بكثير عن الطاقة المكتسبة بالإلكترونات عندما تُشكل أزواج كوبر عند الانتقال إلى النقل الفائق. وهكذا فإن المغنطيسية ظاهرة أكثر قوة ونشاطاً بالمقارنة مع الناقلية الفائقة. وكنتيجة لذلك فإن الناقلية الفائقة لا تستطيع أن تمنع الانتقال المغنطيسي، إنها تَقْدِرُ فقد أن تُعدّله .
يظهر الطور المغنطيسي الحديدي المعدل عندما يُبرّد http://4kemya.com/images/Articles/image221.gif و http://4kemya.com/images/Articles/Image222.gif إلى درجة حرارة أقل من درجة حرارة كوري الخاصة بهما. أشار فيل أندرسون Ph. Anderson وهاري سوهل H. Suhl عام 1959 إلى أن دور مثل هذه البُنى المغنطيسية تشبه، من وجهة النظر الواسعة للناقلية الفائقة، مغنطيساً حديدياً مضاداً لأنّ المناطق المجاورة تتوجه في اتجاهات متعاكسة، ولكنها تشبه من وجهة النظر المجهرية للمغنطيسية مغنطيساً حديداً لأنّ العزوم المغنطيسية للذرّات المجاورة تتوجه في الاتجاه نفسه.
وعلى كلٍّ، فإن خلق جدران مناطقية يحتاج إلى طاقة، ولهذا فإن من الملائم طاقياً عند الدرجات المنخفضة من الحرارة أن تتوجه جميع العزوم المغنطيسية في الاتجاه نفسه. ولهذا فإن http://4kemya.com/images/Articles/image221.gif ينقلب إلى مغنطيس حديدي تحت الدرجة 0.8 كلفن وتتحطم الناقلية الفائقة.
وعلى وجه الدقة، لا توجد أمثلة عن مواد توجد فيها الناقلية الفائقة الأحادية والمغنطيسية الحديدية معاً. ففي جميع النواقل الفائقة الأحادية والمغنطيسية الحديدية معاً. ففي جميع النواقل الفائقة المغنطيسية الحديديّة الأحادية مثل http://4kemya.com/images/Articles/image221.gifو http://4kemya.com/images/Articles/Image222.gif يظهر طور مغنطيسي غير منتظم في حالة النقل الفائق بدلاً من طور المغنطيسية الحديدية. وبصورة مشابهة فإنّه ليس من المحتمل إطلاقاً أن تظهر الناقلية الأحادية في حالة المغنطيسية الحديدية لأنّ تآثر التبادل يمنع تشكّل أزواج كوبر، ويبدو أنّه من المقدّر للناقلية الفائقة وللمغنطيسية الحديدية أن تبقيا بعيدتين عن بعضهما البعض.
يتبع ....
رد: النواقل الفائقة المغنطيسيّة الحديديّة
2- قرب الحراجة الكمومية :
مخطط الطور ضغط - درجة الحرارة التقليدي للمغنطيس الحديدي المضاد للفيرمون الثقيل. تمت دراسة الإنديوم والسيريوم ( http://4kemya.com/images/Articles/image307.gif) بشكل مفصل في كمبردج وغرونوبل وأوزاكا. تكون المادة تحت الضغط ودرجة الحرارة المنخفضين ذات مغنطيسية حديدية مضادة (أزرق). بينما تسللك تحت الضغط العالي سلوكاً مثل سائل فيرمي (أرجواني). وبشكل مثير للاهتمام، يكون لـ http://4kemya.com/images/Articles/image307.gif نقطة حرجة كمومية عند حوالي 28 Kbar ، يختفي هنا الترتيب المغناطيسي الحديدي المضاد ودرجة نيل Neel ويصبح http://4kemya.com/images/Articles/image307.gif ناقلاً فائقاً (أصفر) فوق مجال ضغط ضيق يقع على كل من جانبي الضغط الحرج
الناقلية الفائقة تتحول إلى شيء غريب :
لم نأخذ بعين الاعتبار حتى الآن إلّا الناقلية الفائقة الحاصلة من الإلكترونات المتوضعة على الموقع الذرّي نفسه والمتجمعة لتشكّل أزواج كوبر التي مجموع سبيناتها يساوي الصفر.
وعلى كل حال، يمكن أن يتمّ تشكيل أزواج أخرى – وبشكل بارز – عندما يوجد دفع كولوني موضعي قوي. يلعب هذا الدفع أيضاً دوراً حاسماً في ظهور المغنطيسية، مساعداً بذلك على تأسيس ترتيب طويل المدى أو ارتباطات مغنطيسية تأرجحية بطيئة.
يحصل غالباً اقتران بين التزاوج الإلكتروني غير التقليدي مع المغنطيسية، ويعتبر فهم التفاعل بين الظاهرتين أحد الأسئلة المفتاحية في فيزياء المادة الكثيرة. تستطيع التآثرات المغنطيسية أيضاً أن تلعب دوراً مهماً في جذب الإلكترونات بعضها إلى بعض. حيث تؤدي الارتباطات المغنطيسية الحديدية المضادة إلى التزاوج الأحادي (السبين يساوي الصفر)، بينما تفضل الارتباطات المغنطيسية الحديدية التزاوج الثلاثي (مع وحدة واحدة من السبين).
هنالك منظومة فيزيائية أخرى يحصل فيها تزاوج ثلاثي هي الهيليوم -3 المائع الفائق، ويبدو أن التقليد الطويل الأمد في مقارنة الميوعة الفائقة والناقلية الفائقة يبقى مستمراً. توحي دراسات الهليوم -3 أن الناقلية الفائقة غير التقليدية لا متناحية إلى حدّ كبير، أي أنها ستعتمد اعتماداً كبيراً على طاقة واندفاع الإلكترونات. ويعني ذلك بأنّ أيّ تبعثر بالشوائب في المادة يكون قابلاً لتحطيم أزواج كوبر. (وبالمقارنة، فإن الناقلية الفائقة الأحادية ذات الموجة s- تكون أكبر قوة ويمكن أن تتحطم فقط بالشوائب المغنطيسية التي تقلب سبينات حاملات الشحنة). وكنتيجة لذلك، فإن الناقلية الفائقة غير التقليدية يمكن أن تظهر فقط في المواد ذات النقاوة العالية جداً.
الناقلية الفائقة والمغنطيسية المتجولة عند الضغط الحرج :
يُعَدُّ الحديد والكوبالت والنيكل من أفضل المغانط المعدنية المعروفة، وتتحكم بخواصها المغنطيسية إلكترونات النقل التي تتحرك بحرية في أنحاء المعدن. تشغل هذه الإلكترونات غير المتموضعة عُصابة طاقية مملوءة حتى سوية فِرمي Fermi، وتنشأ عنها مغنطيسية متجولة. ويتحكّم نوع العصابة نفسها في السلوك المغنطيسي للنواقل الفائقة المغنطيسية الحديدية المكتشفة حديثاً وهي الزركونيوم زنك http://4kemya.com/images/Articles/image223.gif ومركّبات اليورانيوم http://4kemya.com/images/Articles/image218.gif و http://4kemya.com/images/Articles/image217.gif. وفي جميع هذه المواد تحيط بالإلكترونات الواقعة عند سوية فِرمي سحابةُ من حوامل شحنة أخرى مما تعطيها كتلة فعّالة ضخمة (تزيد عن كتلة الإلكترون الحرّ بـ 100 مرّة) مما يجعلها تتحرك ببطء. ولكن إذا أصبحت كثافة الحالات عند سوية فِرمي عالية جداً، فيحصل عدم اصتقرار مغنطيسي يؤدي إلى انشطار العصابة الطاقية إلى شطرين، الأول من أجل الإلكترونات التي سبيناتها إلى الأعلى والثاني من أجل الإلكترونات التي سبيناتها إلى الأسفل.
تمّ تطوير النظرية المغنطيسية المتجولة عبر العقود القليلة الماضية، ونشأ أسلوب متماسك أطلق عليه اسم "نظرية الترجح السبيني". يصف هذا الأسلوب كيفية تأثر الإلكترونات بالحقول المتولّدة من إلكترونات أخرى في بحر فِرمي. وبالإضافة إلى ذلك فإن نظرية الترجح السبيني ملائمة تماماً لوصف "النقطة الحرجة الكمومية" حيث يحطم التغيُّر الصغير في الضغط الترتيب المغنطيسي للذرّات في المعدن الصلب وتختفي درجة حرارة كوري. تُدفع هذه الانتقالات بصورة منعزلة بالترجحات الكمومية أكثر منها بالتأثرات الحرارية، وتُتميّز بالضغط الحرج، http://4kemya.com/images/Articles/image224.gif
وجد داي أوكي D. Aoki وهكسلي بعد ذلك أن لليورانيوم والجرمانيوم الخواص نفسها، بينما كشفت مجموعة كريستيان بفلايديرر C. Pfleiderer في جامعة كالسروه في ألمانية السلوك نفسه في سبيكة زركونيوم – زنك Zr + Zn2 . وقد أخبر في بداية هذا العام كاتسوا شيميزو K. Shimizu من جامعة أوساكا في اليابان ومعاونوه عن الناقلية الفائقة في الطّور العالي الضغط للحديد. يمثّل هذا الاختراق الأخير حجر الزاوية في بحوث الناقلية الفائقة، حيث أن أحد الأهداف الأساسية هو اكتشاف الظاهرة في العناصر البسيطة. على كل حال، وكما سنوضح ذلك لاحقاً فإن الطور السداسي المتراص العالي الضغط للحديد ليس ناقلاً فائقاً حديدي المغنطيسية.
المغانط الحديدية لليورانيوم تتجه نحو النقل الفائق :
اعتقد الفيزيائيون بأن http://4kemya.com/images/Articles/image218.gifكان مثالاً جيداً على ما يسمى المغنطيس الحديدي آيزنغ Ising. وعند الضغط الجوي المحيط، تصطفّ جميع العزوم المغنطيسية تحت الدرجة 53 كلفن. وعلى كلٍّ، فإن تطبيق ضغطٍ متزايد على المغنطيس الحديدي يؤدي إلى تناقص درجة حرارة كوري بسرعة إلى أن تتلاشى في نهاية الأمر عند الضغط 17 كيلوبار بسبب وجود النقطة الحرجة الكمومية (الشكل 3). وفوق الضغط الحرج يكون http://4kemya.com/images/Articles/image218.gif مغنطيسياً مسايراً وتصطف العزوم المغنطيسية فقط عند وجود حقل مغنطيسي.
يتبع ...
رد: النواقل الفائقة المغنطيسيّة الحديديّة
3- تشارك في مركبات اليورانيوم :
يكشف مخطط الطور لـ http://4kemya.com/images/Articles/image218.gif أنه يمكن للناقلية الفائقة (أصفر) والمغطيسية الحديدية (الأخضر) أن تتواجد معاً في مجال ضغط محدود. لا تلاحظ ناقلية فائقة تحت 10 Kbar مما يشير إلى أن القرب من الضغط الحرج- الضغط الذي يتلاشى فيه الترتيب المغنطيسي ودرجة حرارة كوري- يكون حرجاً من أجل تزاوج كوير .
إن اكتشاف الناقلية الفائقة لمتعدّد البلّورات http://4kemya.com/images/Articles/image218.gif من قِبَل سكسينا وهكلسي ومعاونيهما لم يكن إلاّ جزءاً من الحقيقة. لقد وجدوا أيضاً أن طور النقل الفائق وطور المغنطيسية الحديدية يتواجدان حتى الدرجة 30 كلفن. ولمّا كانت حوامل الشحنة تعاني حقلاً مغنطيسياً فعّالاً كبيراً ناجماً عن اصطفاف السبينات، فإن التزاوج الثلاثي يشكّل فرضية حصيفة.
وفي الوقت نفسه، أثبتت دراسات البلّورة الأحادية التي تمّت في غرونوبل أن http://4kemya.com/images/Articles/image218.gif يلعب أيضاً دور مفعول مايسنر Meissner، الذي هو أحد السمات المميزة للناقل الفائق. وقد أثبتت تجارب الانعراج النتروني المجهري بعد ذلك ترافق وجود الناقلية الفائقة والمغنطيسية الحديدية معاً في http://4kemya.com/images/Articles/image218.gif. وهنالك اقتراح بأنّهُ من الممكن للناقلية الفائقة أن تكون خاصة جرمية للمغانط الحديدية اليورانيومية.
تمّ الحصول على البرهان الحقيقي للناقلية الفائقة الجرمية في السنة الماضية من قِبَل نيويوكي تاتايوا N. Tateiwa ومعاونيه في أوساكا. فقد لاحظوا شذوذاً في الحرارة النوعية عند الدرجة الحرجة، وهذا ما يُعتبر مؤشراً تقليدياً لفرجةٍ طاقيةٍ للنقل الفائق. يشير الشذوذ إلى أن أقل من 15% من العيّنة ينقل بصورة فائقة ويوحي بأن الآلية الأساسية تعود كلياً إلى تزاوج الإلكترونات التي سبيناتها تتجه إلى "أعلى".
اكتشفت مجموعة غرونوبل حديثاً أن المركب يورانيوم روديوم جرمانيوم (URhGe) هو ناقل مغنطيسي حديدي عند الضغط الجوي المحيط. إنه يمتلك خواصاً مشابهة لـ http://4kemya.com/images/Articles/image218.gif تحت الضغط العالي – إنه يفقد مقاومته تحت الدرجة 9.5 كلفن، كما يُبدي مفعول مايسنر وفيه شذوذ الحرارة النوعية عند الدرجة الحرجة للنقل الفائق.
وخلافاً لـ http://4kemya.com/images/Articles/image218.gif، وعلى أيّ حال، لم يتم الحصول على بلّورات URhGe العالية النوعية حتى الآن. وحالما يتجاوز هذه الصعوبة، فإن مشاهدة الناقل الفائق المغنطيسي الحديدي عند الضغط الجوي المحيط ستفتح الباب أمام مجال التجارب المتنوعة نفسها التي جرى إجراؤها على النواقل الفائقة الفرميونية الثقيلة والروثينات والنواقل الفائقة العالية درجة الحرارة. وعلاوة على ذلك، يُتوقع ظهور تأثيرات جديدة عندما يتم تعديل البنية المناطقية المغنطيسية الحديدية بفعل الحقول المغنطيسية أو بتغيير شكل العيّنة. ونستطيع بتغيير البنية المجهرية أن نولّد رابطات ضعيفة بين مناطق المغنطيسية الحديدية التي ستقود إلى شبكات إلكترونية جديدة ومفيدة.
حالة واعدة :http://4kemya.com/images/Articles/image225.gif
لقد استعت المواد، التي تُظهر مغنطيسية متجولة بدون مغنطيسية موضعية، في الفترة الأخير قدراً كبيراً من الاهتمام نظراً لأنّ تشكّل البنية العصابيّة الإلكترونية سهل وبسيط. وقام في بداية هذا العام كريستيان بفلايديرر C. Pfleiderer ومعاونوه في كارلسروة بإجراء قياسات في درجات حرارة منخفضة على عيّنات من http://4kemya.com/images/Articles/image225.gif
المغنطيسي الحديدي الضعيف والذي تمّ تحضيرها منذ عشر سنوات من قِبَل ستيفن هايدن S. Hayden الذي كان آنذاك في كمبردج. بيّنت النتائج أن http://4kemya.com/images/Articles/image225.gif ينقل نقلاً فائقاً فقط عندما يكون مغنطيساً حديديّاً (أي تحت الضغط الحرج) وليس عندما يكون مغنطيساً مسايراً (أي فوق http://4kemya.com/images/Articles/image224.gif ).
http://4kemya.com/images/Articles/image225.gif ، هو مغنطيس حديدي متناحٍ أضعف بكثير من http://4kemya.com/images/Articles/image218.gif و http://4kemya.com/images/Articles/image217.gif. وهذا يعني بأن الأمواج السبينيّة المترابطة تظهر تحت درجة الحرارة التي يستقر عندها الترتيب المغنطيسي، بينما توجد المركّبة اللامترابطة العرضانية فوق هذه الدرجة. وبالمقابل، فإن الأنماط الطولانية فقط هي التي ستكون مشمولة في http://4kemya.com/images/Articles/image218.gif. كانت المفاجأة الكبرى هي أن وجود الناقلية الفائقة على ما يبدو سيتم حتى 22 كيلوبار وتعتمد هذه الناقلية بشكل قليل على الضغط، أو على الأقل على الضغوط المنخفضة . ومرة ثانية لا يوجد هنالك أثر للناقلية الفائقة في طور المغنطيسية المسايرة.
ومما يلفت النظر والغرابة هو أن المقاومة الهربائية لـ http://4kemya.com/images/Articles/image225.gif تحت الانتقال إلى النقل الفائق تبقى محدودة بداً من تلاشيها تماماً (الشكل 4). وبالإضافة إلى ذلك، لا توجد هنالك أي إشارة عن شذوذ الحرارة النوعية عند http://4kemya.com/images/Articles/image215.gif. تشير كل من هاتين الميّزتين بشكلٍ قوي إلى أن الناقلية الفائقة في http://4kemya.com/images/Articles/image225.gif غير متجانسة، وتوجد فقط في عناقيد منتشرة في المادة.
يتبع ....
رد: النواقل الفائقة المغنطيسيّة الحديديّة
4- مواد مثيرة للاهتمام :
المقاومية r، مقابل درجة الحرارة كما قيست في http://4kemya.com/images/Articles/image218.gif تحت الضغط العالي (أزرق)، http://4kemya.com/images/Articles/image225.gif (أحمر) و URhGe(أخضر) والبنية السداسية المتراصة للحديد عند 25GPa (الشكل الداخلي). تبقى المقاومية في http://4kemya.com/images/Articles/image225.gif والحديد محدودة بدلاً من أن تنخفض كليّاً إلى الصفر. ورغم أن هذا السلوك يبقى مفهوماً في الحديد (راجع النص) إلا أنه يبقى لغزاً غامضاً في http://4kemya.com/images/Articles/image225.gif . وبصورة تبعث على الدهشة لا توجد هنالك إشارات عن شذوذ الحرارة النوعية في http://4kemya.com/images/Articles/image225.gif عند درجة الحرارة الحرجة.
يجادل بعض النظريين بأن اختفاء درجة حرارة كوري والدرجة الحرجة للنقل الفائق عند النقطة الحرجة الكمومية يُشكّل مبرراً معقولاً للظاهرة، وقد يكون ذلك هو الحالة. ولكن يجب توضيح أصل المقاومية المتقية، وبالتالي الناقلية الفائقة الناقصة. وبأي من الطريقتين، فإن http://4kemya.com/images/Articles/image225.gif مثال واعد للناقل الفائق المغنطيسي الحديدي، وسيتم الكشف عن طبيعته الحقّة بإجراء تجارب جديدة على البلّورات التي تمّ تحسين نقاوتها.
الحديد تحت الضغط :
يستطيع الضغط أن يُحرّض تغيراتٍ في بنية البلّورة، والحديد لا يشذ عن ذلك، وبالفعل، فإن وفرة العنصر العالية، والضغوط العالية جداً في عمق لبِّ الأرض يَعْنيان بأن بنية الحديد تشكّل اهتماماً خاصاً للجيوفيزيائيين. إن التغير في بنية البلورة يعدل بشكل كبير الخواص المغنطيسية للحديد (الشكل 5).
5- الحديد يحدث فيزياء ثرية :
يبدو أن جميع تعقيدات المغنطيسية والناقلية الفائقة ستظهر حتى بالنسبة لعنصر بسيط مثل الحديد. إن الطور a ذا بنية المكعب المركزي الجسم هو المغنطيس الحديدي المعروف جيداً (أخضر). لكن إذا كان الطور g (أزرق) في الضغط العالي وفي درجة الحرارة العالية ثابتاً في الدرجات المنخفضة فإنه يجب أن يشكل مغنطيساً حديدياً مضاداً عند الدرجة 100 كلفن وعند الضغط الجوي المحيط. إن الطور ε السداسي المتراص لا مغنطيسي ويصبح ناقلاً فائقاً (أصفر) في الدرجات المنخفضة من الحرارة. يبقى أصل الناقلية الفائقة في الطور εوفي آلية اقتران الشحنة غامضاً ومصدراً للمناقشات المكثفة.
يمكن تمثيل تفاعل البُنى البلّورية الثلاث – التي دُعيت بالأطوار a، ε، و g وخواصها الإلكترونية والوغنطيسية على مخطط الطور ضغط – درجة الحرارة (تقابل الأطوار α، ε، و γ البنية البلورية المكعبة المركزية للجسم والبنية البلورية السداسية المتراصة والبنية البلورية المكعبة المركزية الوجوه بالترتيب)
وبالإضافة إلى ذلك، فإن انتقالات الأطوال جميعها التي تحصل هي من المرتبة الأولى، وقد دُرس الانتقال بين الطورين α و ε سابقاً بالتفصيل مع مفعول موسباور Mossbauer.
من المعروف أن الحديد يكون عند الضغوط المنخفضة وفي درجات الحرارة المنخفضة مغنطيساً حديدياً ذا بنية مكعبة مركزية الجسم. وبازدياد الضغط باتجاه النقطة الحرجة الكمومية عند 40 GPa تتغير البنية البلّورية إلى الشكل السداسي المتراص، وتبيّن القياسات المغنطيسية لأن الحديد يصبح مغنطيساً مسايراً، يشبه نوعاً ما بعض مركبات الفرميونات الثقيلة. يشير هذا إلى أن الترجحات السبينية يمكن أن تحدث نوعاً ما مع طاقة مميزة منخفضة. وطبقاً لما أفاد به سكسينا وليتل وود Littlewood من كمبردج، يُحتمل أن يكون هذا الطور ε للحديد محكوماً بتآثرات مغنطيسية حديدية مضادة، وهذا لا يشبه البُنى المماثلة في الكوبالت.
بيّنت التجارب المقاومية، التي جرت حديثاً من قِبَل شيميزو Shimiau ومعاونيه في أوازاكا، بوضوح أن الطور ε للحديد يَنقل نقلاً فائقاً في مجال كبير من الضغط (الشكل 5). كما بيّنت هذه المجموعة أن مقاومته تنخفض بحوالي 10% عند الدرجة الحرجة وله مفعول مايسنر يمكن مقارنته بعيّنة شاهدة للإنديوم الفائق النقل عند الدرجة 3.2 كلفن (انظر الشكل 4). يمكن هنا فهم المقاومة المحدودة تحت الدرجة http://4kemya.com/images/Articles/image215.gif لأن الحديد يفشل بالتحوّل إلى البنية السداسية المتراصة النقية نتيجة للصعوبات التجريبية، ونتيجة لأن القياسات تتم بسلكين من الذهب (انظر القسم السفلي من الصورة الأولى).
وكما أكّد سكسينا وليتل وود في مقال في مجلة Nature حول أعمال شيميزو، بأن أهمية الخواص الكهربائية والمغنطيسية للحديد السداسي المتراص تكمن في الدور المفتاحي الذي يلعبه الحديد في اللب الداخلي للأرض وفي استقرار الحقل المغنطيسي للكوكب. وسيكون لنتائج شيميزو تأثير كبير عندما تندفع المجموعات التجريبية بتوصيف التقلبات المغنطيسية في الطور ε. ستكون الخطوة الأولى بإجراء قياسات المقاومية على عيّنة نقية من حديد ε ثمّ جمع هذه النتائج مع نتائج موسباور. يمكن أن يكون أصل الناقلية الفائقة في الحديد العالي الضغط هو المغنطيسية الحديدية المضادة بدلاً من المغنطيسية الحديدية. بيد أن الأمر ليس معروفاً بالتأكيد لأي إنسان ويبقى أصل آلية التزاوج لغزاً.
التجاوب مقابل النظرية :
بدأ النقاش حول النواقل الفائقة المغنطيسية الحديدية المتجولة مع فكرة الترجحات السبينية المغنطيسية الحديدية وتوقع ظهور طور فائق النقل على كلٍّ من جانبي النقطة الحرجة الكمومية. ولكن التجارب الحديثة كشفت أن الناقلية الفائقة تحصل فقط على جانب واحد. اقترح كراستان بالغويف K. Balgoev من جامعة بوسطن ومعاونوه أن التزاوج الأحادي يكون منحصراً بطور المغنطيسية الحديدية، ولكن نقاشهم لسوء الحظ اقتصر على إثارات الطاقة المنخفضة. وفي الوقت نفسه، كان تيد كيركباتريك T. Kirkpatrick من جامعة ماريلاند يقترح بأن الناقلية الفائقة في المغانط الحديدية الضعيفة (مثل http://4kemya.com/images/Articles/image225.gif) تنشأ نتيجة لاقتران الترجحات الطولانية مع الأمواج السبينية العرضية.
اقترح كازومازا ميياك K. Miyake وشينجي واتاناب S. Watanabe من أوزاكا من أجل المواد العالية اللاتناحي مثل http://4kemya.com/images/Articles/image218.gif أنه من الممكن لغالية الإلكترونات المتجهة سبينهاتها إلى أعلى أن تفي بالشروط الأخرى التي تقود غلى الشحنة أو إلى أمواج الكثافة السبينية مع آليات الاقتران الخاصة بهما. وأخيراً، فإن الاقتران إلكترون – فوتون التقليدي يُحتمل أن يوجد أيضاً في هذه المواد المعقّدة نظراً لأن الإلكترونات الموجودة فقط على جزء صغر من سطح فِرمي يمكن أن تتزاوج إلى المغنطيسية الحديدية.
أهداف من أجل المستقبل :
كان الاعتقاد السائد لوقت طويل أن الناقلية الفائقة والمغنطيسية متعارضتان. وقد وُجِد الآن العديد من الأمثلة بفضل التحسينات التي طرأت على نوعية العيّنات الممكن إنتاجها، تتركز الأهداف في البحث عن أمثلة جديدة وصياغة نظرية تستطيع أن توضح آلية الاقتران التي تخضع لها. ومتى تظهر المعطيات التجريبية الجديدة تكون الاستجابة النظرية لها سريعة وتؤدي إلى عددٍ من التنبؤات المختلفة والنظريات. وعلى كل حال، فإن ما هو واضح الآن هو أن كلتا المجموعتين النظرية والتجريبية قد تمّ حثهما وإثارتهما بفعل الثروة الفيزيائية التي قدمتها هذه المواد. يدور السباق الآن على إيجاد مثال واضح عن التزاوج الثلاثي في الناقل الفائق المغنطيسي الحديدي.
في النهاية ارجو لكم المتعه والفائدة ولا تنسونا من صالح دعائكم بظهر الغيب وشكرا.
في أمان الله .
رد: النواقل الفائقة المغنطيسيّة الحديديّة
شكرا موضوع اكثر من رائع بارك الله فيك
النواقل الفائقة المغنطيسيّة الحديديّة
تسلمين يالغالية على طلتك الروووعة
و ان شاء الله تعجبك مواضيعي دوووم
