ظواهر جديدة تتعلق بالإلكترونات واكتشاف المتانة المغناطيسية
2013 الرمل والسيليكون
دنيس ماكوان
مؤسسة الكويت للتقدم العلمي
لقد جرى معاينة ظواهر جديدة كلياً في غاز الإلكترونات ثنائي الأبعاد الناتج عن احتباس إلكترونات الكم، كما أدّى ذلك إلى منح جائزتي نوبل.
ففي عام 1985، مُنح كلاوز فون كليتزينغ (Klaus von Klitzing) الجائزة من أجل " اكتشاف مفعول هول الكمي، وفي عام 1998، نال روبرت لافلين (Robert Laughlin) وهورست شتورمر (Horst Stormer) ودان تسوي (Dan Tsui) الجائزة من أجل "اكتشافهم شكلاً جديداً من مائع كمومي ذي استحثاث مشحونة جزئياً".
في جريان Z-DEG تجري الإلكترونيات بشكل حر في طبقة زرنيج الغاليوم بتأثير الفولطية المطبقة عبر نهايتي الطبقة. وإذا كان الحقل المغناطيسي مطبقاً بتوازٍ مع الطبقة ولكن عامودياً على اتجاه حركة جريان الإلكترونيات، عندها يكون هبوط الفولطية متواز للحقل المغناطيسي.
ويسمى هذا فولطية هال نسبة إلى أدوين هال (Edwin Hall) الذي كان الأول في ملاحظة هذا التأثير عام 1879 عندما كان طالب دراسات عليا في جامعة جون هوبكنز. وعلى درجات حرارة منخفضة وحقول مغناطيسية عالية، يصبح الإلكترون في Z-DEG مكممة وتمتلك عندها طاقات مفيدة.
وقد اكتشف فون كليتزينغ أنه تحت هذه الظروف تظهر فولطية هال درجات انقطاعات عندما يزيد الحقل المغناطيسي. وتكون هذه الدرجات مضاعفات كاملة ولثابت كوني يساوي مربع شحنة الإلكترون مقسومة بثابت بلانك.
وجد هورست شتورمر ودان تسوي في مختبرات بل باستعمال بنى نقية جداً محضّرة من قبل آرت غوسارد أن مراحل جديدة قد ظهرت في فولطية هول حتى عند درجات حرارة أخفض وحقول مغناطيسية أعلى، وأنها تحدث تماماً عند أجزاء بسيطة من نفس الثابت.
طور بوب لفلين، الذي كان أيضاً في مختبرات بل في ذلك الوقت، نظرية فسرت كل المراحل. فعند درجات حرارة منخفضة وحقول مغناطيسية عالية، تُجبر الإلكترونات على تشكيل حالة جماعية جديدة للمادة تسمى مائعاً كمومياً.
وكمثال على موائع كمومية أخرى، تُذكر الحالة الناقلية الفائقة لبعض المعادن في درجة حرارة منخفضة والهليوم السائل في حالة المائع الفائق. إن كل ذلك هو مظاهر عيانية لتعبير ميكانيك الكم الغريب.
اكتُشفت ظواهر غير مترابطة جديدة تماماً في الطبقات المتعددة المؤلفة من مناطق متناوبة لمواد مغناطيسية مختلفة مثل معادن الحديد والنيكل، وقد مُنح ألبيرت فيرت (Albert Fert) وبيتر غرونبرغ (Peter Grünberg) جائزة نوبل عام 2007 من أجل " اكتشاف المتانة المغناطيسية الضخمة".
تتغير المتانة النوعية للمعدن مع زيادة الحقل المغناطيسي، ويسمى هذا المفعول بالمتانة المغناطيسية. وفي معظم المعادن، تكون النسبة المئوية لتغير المقاومة نسبة صغيرة بالمائة فقط، لكن فيرت وغرونبرغ وجدا أنه في بنى الطبقات المتعددة المؤلفة من مناطق متناوبة من الحديد والنيكل يمكن أن تصل المتانة المغناطيسية إلى 60%.
كان لهذا الاكتشاف تداعيات تكنولوجية هامة، فأوساط التخزين المغناطيسية تُخَزِّن المعلومات على شكل تتابع من حيزات مغناطيسية تمثل آحاداً وأصفاراً (تمثل الحيزات على شكل مغانط قضيبية صغيرة تتجه نحو الأعلى أو الأسفل ).
لقراءة المعلومات، يتحسس رأس القراءة تغير اتجاه الحيزات في القرص الخاضع للدوران. وتُستعمل المتانة المغناطيسية لتحويل تغيرات الحقل المغناطيسي فوق القرص إلى تغيرات في المتانة يمكن كشفها الكترونياً. لقد زاد اكتشاف المتانة المغناطيسية الضخمة بشدة محساسية رأس القراءة ومكّن صناعة التسجيل المغناطيسي من تحقيق تصغير عظيم للأقراص المغناطيسية.
تَظهَر المتانة المغناطيسية الضخمة بسبب التغيرات في توجيه مغناطيسية الطبقات المتجاورة في بنية الطبقات المتعددة مع زيادة الحقل المغناطيسي الخارجي. وتكون المتانة أصغر إذا كانت الطبقات المتجاورة مصفوفة خطياً (Aligned) بينما تكون أكبر إذا كانت الطبقات متعاكسة. وإذا كانت الطبقات المتجاورة في رأس القراءة متعاكسة، فإن وجود الحقل المعناطيسي في القرص يسبِّب عند ذلك تغيير توجيه الطبقات المتجاورة في رأس القراءة من الحالة المتعاكسة إلى الحالة المصفوفة خطياً، الأمر الذي يؤدي إلى تغيير المتانة المغناطيسية.
انبثق حيز علم السطوح بالاعتماد على تجارب الفيزياء الأساسية منذ حوالي قرن للبرهان على الطبيعة الموجية للجسيمات مثل الإلكترون، ولقد تعلم علميو المواد كيفية نمو البلورات وطوروا تقنيات تنمية بنى معقدة طبقة ذرية تلو الأخرى. كما أدت هذه التطورات إلى ترانزستورات أصغر وأسرع تعمل عند ترددات أعلى تحتاجها منظومات الاتصالات الراهنة وإلى صمّامات ثنائية مُصدرة للضوء وصمّامات ثنائية نصف ناقلة ليزرية تعتبر أجهزة أساسية في اتصالات الأمواج الضوئية
علاوة على ذلك، اكتُشفت ظواهر جديدة باستعمال هذه البنى الصنعية غير المتجانسة والشبكات الفائقة وأدت هذه الاكتشافات إلى أربع جوائز نوبل.
[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]