لقد اتخذ العلماء خطوة نحو إنشاء أجهزة قوية تستغلمغناطيسي تمكن العلماء من تحقيق ذلك من خلال إنشاء أول نسخة ثلاثية الأبعاد من مادة تعرف باسم الجليد الدوراني.
تعتبر مواد الجليد الدوراني غير عادية للغاية لأنها تمتلك ما يسمى بالعيوب التي تتصرف مثل القطب الوحيد للمغناطيس.
هذه المغناطيسات أحادية القطب، والمعروفة أيضًا باسم الأقطاب المغناطيسية الأحادية، غير موجودة في الطبيعة؛ عندما يتم قطع كل مادة مغناطيسية إلى نصفين، فإنها ستؤدي دائمًا إلى إنشاء مغناطيس جديد بقطب شمالي وقطب جنوبي.
منذ عقود من الزمن، كان العلماء يبحثون على نطاق واسع عن أدلة على حدوثها بشكل طبيعيمغناطيسي إن هذه النظرية هي نظرية أحادية القطب على أمل تجميع القوى الأساسية للطبيعة في ما يسمى بنظرية كل شيء، ووضع كل الفيزياء تحت سقف واحد.
ومع ذلك، تمكن علماء الفيزياء في السنوات الأخيرة من إنتاج نسخ اصطناعية من أحادي القطب المغناطيسي من خلال إنشاء مواد جليدية مغزلية ثنائية الأبعاد.
حتى الآن، أثبتت هذه الهياكل بنجاح وجود قطب مغناطيسي أحادي، ولكن من المستحيل الحصول على نفس النتائج الفيزيائية عندما تكون المادة محصورة في مستوى واحد. في الواقع، إن الهندسة ثلاثية الأبعاد المحددة لشبكة الجليد الدوراني هي مفتاح قدرتها غير العادية على إنشاء هياكل صغيرة تحاكيمغناطيسيأحادي القطب.
في دراسة جديدة نشرت اليوم في مجلة Nature Communications، قام فريق بقيادة علماء من جامعة كارديف بإنشاء أول نسخة ثلاثية الأبعاد على الإطلاق لمادة الجليد الدوار باستخدام نوع متطور من الطباعة والمعالجة ثلاثية الأبعاد.
ويقول الفريق إن تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد سمحت لهم بتصميم هندسة الجليد الصناعي، مما يعني أنهم يستطيعون التحكم في طريقة تشكيل الأقطاب المغناطيسية الأحادية وتحريكها في الأنظمة.
ويقولون إن القدرة على التعامل مع المغناطيسات أحادية القطب الصغيرة في صورة ثلاثية الأبعاد يمكن أن تفتح الباب أمام مجموعة كاملة من التطبيقات، بدءاً من تحسين تخزين الكمبيوتر إلى إنشاء شبكات الحوسبة ثلاثية الأبعاد التي تحاكي البنية العصبية للدماغ البشري.
قال الدكتور سام لاداك، المؤلف الرئيسي للدراسة من كلية الفيزياء والفلك بجامعة كارديف: "لأكثر من عشر سنوات، دأب العلماء على ابتكار ودراسة الجليد الدوراني الاصطناعي في بُعدين. وبتوسيع هذه الأنظمة لتشمل ثلاثة أبعاد، نحصل على تمثيل أكثر دقة لفيزياء القطب الأحادي للجليد الدوراني، ونتمكن من دراسة تأثير الأسطح".
"هذه هي المرة الأولى التي يتمكن فيها أي شخص من إنشاء نسخة طبق الأصل ثلاثية الأبعاد من الجليد الدوار، عن طريق التصميم، على نطاق النانو."
تم إنشاء الجليد الصناعي باستخدام تقنيات التصنيع النانوية ثلاثية الأبعاد المتطورة، حيث تم تكديس الأسلاك النانوية الصغيرة في أربع طبقات في بنية شبكية، والتي كان قياسها بحد ذاتها أقل من عرض شعرة الإنسان بشكل عام.
وقد تم بعد ذلك استخدام نوع خاص من المجهر المعروف باسم مجهر القوة المغناطيسية، والذي يتميز بالحساسية للمغناطيسية، لتصور الشحنات المغناطيسية الموجودة على الجهاز، مما يسمح للفريق بتتبع حركة المغناطيسات أحادية القطب عبر الهيكل ثلاثي الأبعاد.
وأضاف الدكتور لاداك قائلاً: "إن عملنا مهم لأنه يُظهر أن تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد على نطاق النانو يمكن استخدامها لمحاكاة المواد التي يتم تصنيعها عادةً عن طريق الكيمياء".
"في نهاية المطاف، يمكن أن يوفر هذا العمل وسيلة لإنتاج مواد ميتا مغناطيسية جديدة، حيث يتم ضبط خصائص المواد عن طريق التحكم في الهندسة ثلاثية الأبعاد لشبكة اصطناعية.
أجهزة التخزين المغناطيسية، مثل محركات الأقراص الصلبة أو أجهزة ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية، هي مجال آخر قد يتأثر بشكل كبير بهذا الاكتشاف. بما أن الأجهزة الحالية تستخدم بُعدين فقط من الأبعاد الثلاثة المتاحة، فإن هذا يحد من كمية المعلومات التي يمكن تخزينها. وبما أن أحاديات القطب يمكن تحريكها حول الشبكة ثلاثية الأبعاد باستخدام مجال مغناطيسي، فقد يكون من الممكن إنشاء جهاز تخزين ثلاثي الأبعاد حقيقي يعتمد على الشحنة المغناطيسية.
وقت النشر: ٢٨ مايو ٢٠٢١