خواص جدید مواد غیر مغناطیسی
خواص جدید مواد غیر مغناطیسی
یک شبکه غیرمغناطیسی، میتواند تقارن مشابه شبکه مغناطیسی، داشته باشد. در این حالت، هر دو شبکه به گونه ای تعریف میشوند که دارای تقارن سرگروه 12 که دانشمندان آن را 4 {اِم اِم} 13 مینامند باشند. ساختار کریستالی غیر مغناطیسی مربوط به استرونتیم تیتانات تشکیل شده است از استرونتیم (گوی های آبی)، تیتانیم (گوی های قرمز) و اکسیژن (گوی های زرد). نقشهای خاکستری رنگ ساختار 8وجهی (اوکتتی) اکسیژن هستند که خلاف جهت 8وجهی همسایه تاب میخورند. »
یک شبکه مغناطیسی، میتواند تقارن مشابه شبکه غیرمغناطیسی، داشته باشد. در این حالت، هر دو شبکه به گونه ای تعریف میشوند که دارای تقارن سرگروه که دانشمندان آن را 4 {اِم اِم} مینامند باشند. این شبکه مغناطیسی، شباهت بین چرخشهای مغناطیسی (و حلقه جریان الکتریکی را نشان میدهد. »
یک تیم از محققین پن استیت (1) برای اولین بار نشان دادند که تمام دسته های مواد غیرمغناطیسی، مانند آنهایی که در اجزا برخی از کامپیوترها استفاده میشوند، میتوانند به طور قابل ملاحظه ای استفاده های بیشتری از آنجه که دانشمندان تصور میکردند داشته باشند. این یافته ها به این دلیل اهمیت دارند که اطلاعات نامشخص قبلی در مورد ساختار این مواد را آشکار میکنند، شمار خواص بالقوه ای را که آنها میتوانند داشته باشند را بسط میدهد. خواص یک ماده، مانند هدایت الکتریکی و استحکام مکانیکی، چیزهایی هستند که سودمندی یک ماده را تعیین میکنند. این تحقیق در ژورنال فیزیکال ریویو لترز منتشر خواهد شد.
خواص یک ماده به وسیله ساختارش تعیین میشود، یک محقق در مرکز دانش نانو پن استیت، پروفسور مهندسی و دانش مواد و سرپرست پروژه، ونکاترامن گوپالان توضیح داد. "اگر من در حال پیاده روی یک سنگ حاوی کریستال کوارتز پیدا کنم،تنها بر پایه چیزی که ما آن را تقارن جسم -تعداد و ترتیب سطوح کریستالی آن- می نامیم میتوانستم به شما بگویم که کریستال چه ویژگیهایی را داراست و چه ویژگیهایی را دارا نیست. تقارن نتیجه شیوه قرار گرفتن اتم ها در کوارتز است." او افزود: "این یک شیوه بسیار قدرتمند جهت شناخت دنیای اطراف ماست."
گمان میشد مواد غیرمغناطیسی که گوپالان و همکارانش مطالعه کردند یکی از 32 تقارن کریستال متفاوت -که تقارنهای سرگروه شناخته میشدند- را داشته باشد که در طبیعت یافت میشوند. از سوی دیگر، مواد مغناطیسی به دلیل اینکه ذرات اتمی آنها دارای چرخشهای مغناطیسی است، که میتوان آنها را به صورت حلقه های کوچک جریان الکتریکی تصور کرد، دارای 90 تقارن سرگروه متفاوت هستند. گوپالان گفت: "حرکت یک جنبه بسیار پر اهمیت از مغناطیس است." او افزود: "به محض این که ذرات باردار شروع به حرکت یا چرخش کردند، مغناطیس در طبیعت ایجاد شد.
دانشمندان مدت ها بر این عقیده بودند که تقارن، به دلیل اینکه جا به جا شدن جهت چرخش یک تقارن اضافی را ایجاد میکند، به مواد مغناطیسی این امکان را میدهد که خواص بیشتری نسبت به مواد غیرمغناطیسی داشته باشند. اما گروه گوپالان نشان داده است که مواد غیرمغناطیسی، از لحاظ تئوری، میتوانند دقیقا به همان مقدار خواص مواد مغناطیسی را داشته باشند. بر طبق گفته های گوپالان، بعضی از مواد غیرمغناطیسی دارای گروهی از اتمها هستند که با دوران و تاب خوردن شکل آنها را به هم میریزند. این حرکت ناچیز که معادل یک حلقه کوچک جریان الکتریکی است کافیست تا به ماده برخی خواص اضافی را دهد که قبلا تصور میشد تنها متعلق به مواد مغناطیسی هستند.
این محققین تئوری خود را از راه آزمایش با استفاده از استرونتیم تیتانات که یک ماده غیرمغناطیسی است، امتحان کردند. آنها ماده را سرد کردند و کشف کردند که این اتم های اکسیژن هستند که به وسیله تاب خوردن در یک ناحیه تنگ تر برای حفظ انرژی و فضا از خود واکنش نشان میدهند. گوپالان گفت: "اتمهای اکسیژن یک دوران کامل را، مانند یک حلقه جریان الکتریکی که در اجسام مغناطیسی اتفاق می افتد، انجام نمیدهند، اما تحلیل های تئوری نشان میدهند که آنها عمل تاب خوردن را انجام میدهند، بنابراین، این احتمال وجود دارد که این مواد دارای خواص ناشناخته قبلی باشند.
در مرحله بعد، این تیم بررسی کرد که، آیا این حرکت تابی شکل در خواص اضافی ماده جلوه گر میشود. به ویژه، آنها برای یک خاصیت بصری و قابل مشاهده که آن را تولید هماهنگ دو�'م روتو مینامند، که قابل مقایسه با خاصیت مشهوری به نام تولید هماهنگ دو�'م مغناطیسی است، محاسبه و آزمایش کردند. تولید هماهنگ دوم، برای مثال، در کریستال های مورد استفاده در اشاره گرهای لیزری سبز رنگ، برای تبدیل اشعه مادون قرمزلیزر به اشعه سبز رنگ لیزر یافت میشود.این گروه کشف کردند که ماده استرونتیم تیتانات دارای مقدار کوچکی از تولید هماهنگ دو�'م روتو است.
گوپالان گفت: "هیچ کس تصور برقراری ارتباط بین تقارنهای مغناطیسی با یک ماده غیرمغناطیسی مانند استرونتیم تیتانات را نمیکرد، اما این کاریست که تحقیق ما با صراحت انجام میدهد." او افزود: "ما در ابتدا یک تحلیل تئوری انجام دادیم که در آن از چهارچوب تقارن، که به طور مرسوم برای توصیف مواد مغناطیسی به کار برده میشد، برای این دسته بزرگ از مواد غیرمغناطیسی استفاده کردیم. ما سپس بر روی یک ماده غیرمغناطیسی خاص پژوهش های آزمایشگاهی انجام دادیم و خاصیتی از آن را کشف کردیم که قبلا تصور میشد تنها به مواد مغناطیسی تعلق دارد.عقیده ما این است که احتمال داشتن تقارنها و خواصی، بیش از آنچه که قبلا ممکن میدانستند، برای تمامی دسته مواد غیرمغناطیسی وجود دارد."
یافته های این تیم میتواند منجر به انفجاری در زمینه تحقیق در مورد خواص جدیدی از مواد غیرمغناطیسی و کاربردهای احتمالی این خواص شود. پیتر شیفر، نائب رئیس همکار در تحقیق و پروفسور فیزیک در پن استیت، گفت: "این مواد در صدها مورد کاربرد استفاده میشوند." او افزود: "اما این کار کار جدید وعده بزرگی برای پیدا کردن استفاده های بسیار بیشتر را میدهد."