الألماس المغناطيسي يكسر الأرقام القياسية في الحساسية

عندما يتعلق الأمر بأصغر مجالات الحقول المغناطيسية يكون الألماس أفضل صديق للفيزيائيين.

في عام 1896 ،تم فصل شاب فيزيائي كان يُدعى بيتر زيمان لقاء تنفيذه لتجربة دون رغبات مشرف المخبر المحددة. بغض النظر عن النتائج، أدت التجربة لاكتشاف رائع غيّر حياة زيمان.

تتضمن التجربة قياس الضوء المنبعث عن طريق العناصر الموضوعة في حقل مغناطيسي قوي. حيث اكتشف زيمان أنه تم انقسام الخطوط الطيفية Spectral Lines بفعل الحقل. وقد حصل في عام 1902 على جائزة نوبل بالفيزياء لهذا الاكتشاف و الذي يُعرف الآن باسم تأثير زيمان.

تأتي الإفادة بشكلٍّ أساسي في مجال قياس الحقول المغناطيسية من على بُعد. على سبيل المثال، استخدم علماء الفيزياء الفلكية هذا التأثير لرسم خريطة التغيرات في المجال المغناطيسي على الشمس. و لكنه بالإمكان استخدامه لقياس الحقول على نطاق أصغر بكثير. من الناحية النظرية، استخدامه لمراقبة تأثير المجال المغناطيسي على ذرة واحدة.

وفي حين أنهم لم يصلوا إلى حدٍ بعيدٍ فيها، توّصل Thomas Wolf وعدد من زملائه، في جامعة شتوتغارت في ألمانيا، إلى نتيجة قريبة جداً. فقد قاموا باستخدام أطياف من ذرات النتروجين المدموجة في ألماس لبناء “مقياس للمغناطيسية Magnetometer” قد يكون الأكثر حساسية على الإطلاق. يقولون أن الجهاز الجديد بإمكانه أن يكون قادر على قياس المجال المغناطيسي المرتبط بالبروتونات قريباً.

لنعود أولاٌ إلى معلومات أساسية حول مقياس المغناطيسية. جعل الفيزيائيون في السنوات الأخيرة حساسية المغناطيسية متزايدة باستخدام مجموعة متنوعة من تقنيات مختلفة ،لكن المشكلة الوحيدة التي اصطدموا بها هي أن الحقل المغناطيسي يضعف بسرعة شديدة في مثل مسافة r^3\1.

و هذا ما يعني أن حجم الجهاز له تأثير هام على ما بإمكانه كشفه، لأن المجال المغناطيسي يمكن أن يتغير بشكل ملحوظ في جميع أنحاء الجهاز. لذلك فمن الهام جعل مقياس المغناطيسية صغير قدر الإمكان.

هنا يأتي دور الألماس. الألماس هو كريستال ثلاثي الأبعاد مصنوع من الكربون. و مع ذلك، عندما يتم استبدال ذرة الكربون بالنتروجين، يَنتج إلكترون إضافي غير منضم.

فعندما يتفاعل هذا الإلكترون مع ضوء الليزر يشع بتردد يتناسب مع بيئته. حيث بالإمكان تغيير تردد الحقل المغناطيسي و تواتره بالأخص، عبر تأثير زيمان، مما يجعل عيوب النتروجين في الألماس نوع مبشّر من أنواع مقاييس المغناطيسية.

بطبيعة الحال، معالجة ذرة واحدة في بنية كهذه وتسجيل إشعاعه وسطوعه بدقة هو بالفعل عمل دقيق ومعقد. فاستخدم Wolf و زملائه طاقم كامل من عيوب النتروجين حيث يحتل الألماس مجرد جزء من الميلي-متر مكعب ،ويقدر العلماء أن هذا يحتوي على عدة مليارات من ذرات النتروجين.

على الرغم من أن مركز بهذا الحجم يُعتبر أكبر بكثير بعدة مقاييس من ذرة فردية ،فهي تنتج إشارة إشعاع و هي أسهل بكثير للقياس. و هذا ما يجعل الجهاز عملي. وحتى في هذا الحجم ،مقياس المغناطيسية أصغر من أي وقت مضى.

وقد وضع Wolf وزملائه الجهاز في إجراءات حركة و ذلك لمعرفة مدى حساسيته ،و تم القضاء في كل خطوة على الضجيج بعناية و حذر. وكانت النتائج مثيرة للإعجاب حيث قام الفريق بنهاية المطاف بقياس قوة الحقل فكانت فقط100 FemtoTesla . وهذا قابل للمقارنة مع مقاييس المغناطيسية الأكثر حساسية على هذا الكوكب. ويعتقدون أنهم بإمكانهم إنجاز عمل أفضل مع تحسينات بسيطة نسبياً وهذا ما ينبغي زيادة الحساسية بنسبة الضعف.

و لكن إليكم الأمر: ما يميز هذا الجهاز هو أنه على حد سواء صغير وحساس، وهو مزيج لم يسبق أن تحقق من قبل. هذا ما يجعل الجهاز محطم للرقم القياسي. وبالإمكان قياس شدة المجال المغناطيسي لأحجام صغيرة و التي لم تكن أبدا في المتناول من قبل. وبعبارة أخرى، فإنه يفتح كشف قوة المجال المغناطيسي على نطاق جديد تماما باستخدام جهاز الحالة الصلبة الذي يعمل في درجة حرارة الغرفة.

يكمن أحد أهداف هذا المجال، في قياس الحقول المغناطيسية للبروتونات في الماء. يبدو أن جهاز الحساسية قد يجعل ذاك ممكناً. وقد قال Wolf و زملائه، “هذه القيمة نفسها تسمح للكشف عن بروتون يدور في حجم مهجري بأقل من ثانية واحدة”.

تُستخدم المقاييس المغناطيسية في مجموعة واسعة من التطبيقات، بدءا من التنقيب عن المعادن والآثار إلى مواقع أنظمة الأسلحة و مراقبة ضربات القلب. لذلك جهاز الحالة الصلبة عالي الحساسية و الذي يعمل في درجة حرارة الغرفة، لكان زيمان قد اندهش لو رأى هذا.

المصدر