الجسيمات الفروكهربية الغريبة موجودة بالفعل ويمكنها أن تغير الحوسبة!

بعد مرور أكثر من ثمانية عقود على التنبؤ بوجودها، وجد الفيزيائيون دليلاً على وجود وحدات منفصلة من المادة يمكن أن تساعدنا في فهم المكافئ الكهربي للمغناطيسية.

ما هي الفيروكهربية؟

في حين أن بعض المواد تكون مغناطيسية دائمة تُنتج المجال المغناطيسي الخاص بها، فإن المواد الآخرى تكون مغناطيسية تحت تأثير المجال المغناطيسي، مثل الحديد عندما ينجذب إلى المغناطيس. المواد الفيروكهربية، من الناحية النظرية، تعمل بنفس الطريقة الأخيرة، لكن المكون الكهربائي للمجال الكهرومغناطيسي هو الذي يؤثر بها وليس المكون المغناطيسي.

صورة لمغانيط صغيرة تبتلع مغناطيس كروي كبير

قد لا يبدو هذا مثيرًا للغاية، ولكن إطلاق قوة المواد الفيروكهربية يمكن أن يؤدي إلى تكنولوجيا متقدمة في تخزين البيانات والتي من شأنها أن تسمح لنا بالاعتماد الكبير على أجهزتنا. ويمكنه أيضًا أن يحل لغزًا قديمًا في الفيزياء، لأنه حتى الآن تم افتراض هذه الجسيمات Hysterons ولكن لم يسبق رؤيتها ، وهي عبارة عن أكوام متناهية الصغر من الجزيئات تعمل كجزيئات مستقلة في المجموعة. ووجدها الباحثون من جامعة لينشوبينج في السويد وجامعة ايندهوفن للتكنولوجيا في هولندا، عندما قاموا بتحليل الطريقة التي تتبع بها الجزيئات قواعد المواد الفيروكهربية وذلك في مادتين مختلفتين.

الفيروكهربية تقابل الفيرومغناطيسية

لفهم الفيروكهربية بشكل أفضل، دعنا نعود إلى توأمها، الفيرومغناطيسية. إذا درست العلوم، فقد تتذكر نشاطًا شائعًا في الصف الذي يقوم على تحريك إبرة بمغناطيس قوي لإنشاء بوصلة مغناطيسية. يعمل هذا لأن الإبرة مصنوعة من مادة مثل الحديد أو النيكل، والتي لديها الخصائص الذرية الصحيحة لجزيئاتها لإعادة تكوينها تحت الجانب المغناطيسي من المجال الكهرومغناطيسي.

تغير اتجاه الإبرة بوضع مجال مغناطيسي بالقرب منها (كالبوصلة)

حسنا، إن الفيروكهربية هي الشيء نفسه تقريبًا، إلا أن الجزيئات في هذه المواد تتحول بشكل دائم إلى شكل جديد تحت تأثير المكون الكهربائي من المجال الكهرومغناطيسي. إنهما تقريبا وجهين لعملة واحدة، ترتب فيها الجسيمات نفسها كوحدات تسمى ثنائيات القطب.

في الفيرومغناطيسية نفكر في هذه كقطبي الشمال والجنوب، أما إذا كنا نتحدث عن المواد الفيروكهربية، فإننا ننظر إلى الأقطاب الموجبة والسالبة. وعادة ما يتم ترتيب الأقطاب الثنائية بشكل عشوائي-مشيرة إلى أي اتجاه-، وهذا هو السبب في أن حزمة مسامير حديدية لا تلتصق ببعضها البعض مثل صندوق من الأشرطة المغناطيسية. ولكن تحت تأثير مجال كهربائي أو مغناطيسي قوي بما فيه الكفاية، فإن هذه الأقطاب الفردية تتجمع وتعمل معًا لبناء مجال قوي خاص بها.

تجمع برادة الحديد حول المغناطيس بشكل منتظم في حين تكون عشوائية دون وجوده

ماذا نعني بمجال “قوي بما فيه الكفاية”؟

يعتمد الحصول على تلك الأقطاب الثنائية المتأرجحة على القوى التي تبقيها في مكانها؛ وهو التأثير الذي يشار إليه ب “التباطؤ.”في عالم مثالي، فإن كل جزء من مادة من شأنه أن يُظهر تباطؤًا بالطريقة ذاتها، لكن شخصًا ما نسي أن يخبر الطبيعة، أنه هناك مجموعات صغيرة من الجزيئات داخل نفس القطعة من المادة تتأثر بالعوامل التي تجبرهم على التصرف بعكس طبيعتهم، تسمى هذه البقع من الجزيئات بالنطاقات عندما ننظر إلى القطبين الشمالي والجنوبي.

في عام 1935، نشر عالم الفيزياء يدعى فرانز بريساش أفكاره حول المكافئ الكهربائي، والذي أطلق عليه اسم الهستيريون. وفقًا لنموذج بريساش، يجب أن تتفاعل الهستيريون الفردية مع قوى الحقول المختلفة كما لو كانت جسيمات منفصلة من المادة، تمامًا مثل النطاقات. هذه فكرة رائعة، لكن الفيزيائيين حتى الآن لم يحققوا الكثير من التقدم في ملء التفاصيل حول النظرية الكامنة وراء هذه الوحدات.

من خلال مقارنة زوج من المواد الفيروكهربائية العضوية مع تلك الوحدات الفريدة، تمكن الباحثون الآن من تحديد ترتيبات الجزيئات التي تشبه الهستيريات الافتراضية (Hypothetical Hystrons). وبالرغم من وجود العديد من الاختلافات، فإن كلاهما يحوي على أكوام من الجزيئات النانومترية طولها وحدات صغيرة من النانومتر.

التجربة بالتفصيل

يقول الباحث الرئيسي في الدراسة، مارتين كيميرنك من جامعة لينشوبينغ:

“تكمن الخدعة بإن لديهم أحجامًا مختلفة ويتفاعلون بقوة مع بعضهم البعض نظرًا لكونهم مكدسين بشكل قريب”.
“وبصرف النظر عن حجمها الفريد، فإن كل كومة تشعر ببيئة مختلفة عن الأكوام الأخرى، وهو ما يفسر توزيع بريساش”.

وبما أن معظم المواد الفيروكهربائية متشابهة إلى حد ما، كان على الباحثين أن يعملوا بجد للعثور على اثنتين مختلفتين بما يكفي لتقليل المتغيرات، ومن ثم كان هناك تحدي التلاعب في التراص الجزيئية لإثبات تشابه سلوكها مع الهستيريون.

يقول كيمرينك:

“الآن وقد أظهرنا كيف تتفاعل الجزيئات مع بعضها البعض على مقياس النانومتر، يمكننا التنبؤ بشكل منحني التباطؤ، وهذا يفسر أيضًا سبب تأثير هذه الظاهرة.”

تعتمد العديد من أجهزة الذاكرة التي نعتمد عليها في الحوسبة على تبديل الأقطاب الثنائية المغناطيسية بالمواد الفيرومغناطيسية، ومع الطرق المُثلى لنمذجة النشاط الفيروكهربي سيتمكن الباحثون من تصنيع أجهزة تستطيع تخزين معلومات أكثر بكثير في وحدة التخزين الواحدة.

إعداد: محمد إبراهيم
إشراف: رنا احمد زهر