آهنربای ملکولی

فیزیكدانان دانشگاه اوهایو با همكاری دیگر دانشمندان برای اولین بار نوعی از خاصیت آهن ربایی را به نمایش درآوردند كه ۵۰ سال قبل پیش بینی شده بود. این خاصیت عبارت است از یك نوع خاص از گذار انرژی كه برای اتم های موجود در یك آهن ربای كوچك روی می دهد. این نوع آهن ربا های بسیار كوچك كرومیوم ۸ (Cr۸)نامیده می شوند. دانشمندان انتظار داشتند این اثر از قوانین مكانیك كوانتومی تبعیت كند، اما در عمل خواص آهن ربایی مشاهده شده، نشان از قوانین فیزیك كلاسیك داشت. قوانین كلاسیكی حركت و انرژی را مردم در زندگی روزانه خودتجربه می كنند. این قوانین درباره اجسامی صدق می كنند كه به اندازه كافی بزرگ هستند تا با چشم غیرمسلح دیده شوند. اما مكانیك كوانتومی علمی است كه برهمكنش میان ذرات كوچك (در اندازه اتم) را بررسی می كند. آهن رباهای مولكولی Cr۸تا آن اندازه كوچك هستند كه باید برای توصیف خواص آنها از مكانیك كوانتومی استفاده كرد. یافته های اخیر می تواند به پر شدن شكاف میان مكانیك كلاسیك و كوانتوم درباره توصیف ساختارهای ریز كمك كند.همچنین از نتایج به دست آمده می توان برای ساخت تجهیزات آتی بر پایه نانوتكنولوژی استفاده كرد. یكی از این اهداف ساخت كامپیوتر هایی در اندازه كوچك با توان بسیار بالاست. الیور والدمن (Oliver Waldmann)از دپارتمان فیزیك دانشگاه اوهایو می گوید: این آزمایش نشان داد كه می توان جنبه های مهمی از خواص مكانیك كوانتومی را با معلومات كلاسیكی درك كرد. نتایج به دست آمده توسط والدمن و همكارانش در شماره اخیر مجله فیزیكال ریویو لترز (Physical Review Letters)منتشر شده است.مولكول هایی همچون Cr۸ را آهن رباهای مولكولی می نامند. این تركیبات هر چند از تعداد كمی اتم تشكیل شده اند اما مولكول بزرگی را تشكیل می دهند. آنچه باعث ایجاد خاصیت آهن ربایی می شود اسپین الكترون های اتم است اما كل مولكول همانند یك آهن ربای مجزا عمل می كند.Cr۸ شامل هشت اتم باردار كروم است كه به صورت حلقه ای به هم متصل شده اند و اندازه حلقه كمتر از یك نانومتر است.اسپین این هشت اتم به گونه ای است كه چهار اتم دارای اسپین هم جهت (به عنوان مثال جهت بالا) و چهار اتم دیگر دارای اسپین در جهت مخالف (پایین) هستند. اسپین های بالا و پایین اثر هم را خنثی می كنند و باعث می شوند كهCr۸ به عنوان ماده ای آنتی فرومغناطیس شناخته شود. محققان ساختارهای متشكل از اسپین بالا و پایین را به عنوان ساختار نیل (Neel)می شناسند. لوئیس نیل فیزیكدان فرانسوی در سال ۱۹۷۰ به خاطر كشف اثر آنتی فرومغناطیس جایزه نوبل را دریافت كرد. در سال ۱۹۵۲ فیزیكدان دانشگاه پرینستون و برنده جایزه نوبل فیلیپ آندرسون
(Philip Anderson)پیش بینی كرد كه اگر اتم ها در یك ماده آنتی فرومغناطیس اندكی از حالت تعادل اسپین های بالا و پایین خارج شوند، گذار های انرژی آنها همانند یك ساختار موج مانند خواهند بود. اما نظریه آندرسون پیشنهاد می كند كه وقتی در این نوع آهن رباها، الكترون ها در پایین ترین حالت انرژی باشند نوع دومی از القا كه القای نیل نامیده می شود به وقوع خواهد پیوست. این نوع از القای نیل تا به حال مشاهده نشده بود.هنگامی كه والدمن در دانشگاه نورنبرگ آلمان بود اساس تئوری این تحقیق را بنا نهاده بود و دیگر همكارانش در اروپا در پی انجام آزمایش های مربوطه بودند.این قبیل آهن رباهای مولكولی با ساختار های گوناگون می توانند اثرات جدیدی را نشان دهند كه یكی از آنها مشاهده القای نیل بود.تحقیق درباره آهن رباهای مولكولی می تواند امكان استفاده از شیمی تجزیه را در شناخت خصوصیات آهن رباها فراهم كند و برخی از ویژگی هایی را كه قبلاً ناشناخته بودند، معرفی كند. این روش می تواند منجر به پیدایش علوم بنیادی جدید و تكنولوژی نوینی گردد. برای انجام دادن آزمایش دانشمندان نمونه Cr۸را تا دمای چند درجه كلوین سرد كردند. در این حالت الكترون ها به احتمال زیاد در پایین ترین تراز انرژی قرار می گیرند. سپس نمونه ها را با استفاده از نوترون ها طوری بمباران كردند كه الكترون ها انرژی لازم را برای بروز القای نیل كسب كنند. با انجام بسیار ماهرانه آزمایش تعدادی از اتم ها نوترون ها را جذب كردند و سیگنال های ضعیفی از اثرات انرژی پایین آشكار شد، كه القای نیل هم یكی از این اثرات بود. فیزیكدانان از این جهت Cr۸ را برای انجام آزمایش انتخاب كرده بودند كه توانایی تولید سیگنال ضعیف را دارا بود. هنگامی كه والدمن سیگنال های مربوط به سطوح انرژی را پس از انجام آزمایش بررسی می كرد، مشاهده كرد كه نتیجه آزمایش با آنچه كه نیم قرن پیش توسط آندرسون پیش بینی شده بود مطابقت دارد و همه چیز سر جای خودش قرار گرفته است. والدمن در این باره می گوید: من مدت زیادی امیدوار بودم كه القای نیل را مشاهده كنم. این پروژه از چهار سال قبل آغاز شده بود با این حال رسیدن به جواب برای ما موفقیت و پیروزی ناگهانی بود و این نتایج بسیار هیجان انگیز بودند، زیرا با وجود آنكه القای نیل یك اثر كوانتوم مكانیكی است اما فیزیكدانان قبلی توانسته بودند آن را با استفاده از مكانیك كلاسیك تبیین كنند. این ایده می تواند در تولید نوع جدیدی از الكترونیك به كار آید.در الكترونیك معمولی اطلاعات بر پایه كد باینری (Binory) كه از صفر و یك تشكیل می شود، كدگذاری می شوند. صفر یا یك بودن كه وابسته به این است كه الكترون در ماده ای از قبیل سیلیكون حضور داشته باشد یا نه. اما می توان از جهت اسپین الكترون ها كه هم شامل جهت بالا و هم پایین و هم جهات مابین این دو را شامل می شوند، استفاده كرد. از نظر تئوری این روش كدگذاری اطلاعات بسیار بیشتری را تدارك می بیند، طوری كه یك الكترون به تنهایی می تواند انواع مختلفی از اطلاعات را ذخیره كند. این قبیل كامپیوتر های كوانتومی از نظر حجمی بسیار كوچك تر از كامپیوتر های معمول امروزی خواهند بود اما در عمل بسیار توانمند تر. در این قبیل كامپیوتر ها به جای تراشه های سیلیكونی از آرایه های مولكولی همانند Cr۸ استفاده خواهد شد. البته تولید این نوع كامپیوتر ها نیاز به تكنولوژی خاص دارد كه شاید تا چند دهه آینده به طول انجامد. این تحقیق نشان داد كه القائاتی از این دست را می توان با استفاده از استدلال های كلاسیكی درك كرد و این روش می تواند برای درك دیگر اثر ها در این قبیل مواد كمك موثری باشد.

منبع : روزنامه شرق