مقدمه
فیزیکدانان دانشگاه اوهایو با همکاری دیگر دانشمندان برای اولین بار نوعی از
خاصیت آهنربایی را به نمایش در آوردند که 50 سال قبل پیش بینی شده بود. این خاصیت عبارت است از یک نوع خاص از گذار انرژی که برای اتمهای موجود در یک آهنربای کوچک روی می‌دهد. این نوع آهنرباهای بسیار کوچک کرومیوم ۸ (Cr8) نامیده می‌شوند. دانشمندان انتظار داشتند این اثر از
قوانین مکانیک کوانتومی تبعیت کند، اما در عمل خواص آهنربایی مشاهده شده ، نشان از قوانین
فیزیک کلاسیک داشت.
قوانین کلاسیکی حرکت و انرژی را مردم در زندگی روزانه خود تجربه می‌کنند. این قوانین درباره اجسامی صدق می‌کنند که به اندازه کافی بزرگ هستند تا با چشم غیرمسلح دیده شوند. اما مکانیک کوانتومی علمی است که برهمکنش میان ذرات کوچک (در اندازه
اتم) را بررسی می‌کند. آهنرباهای مولکولی Cr8 تا آن اندازه کوچک هستند که باید برای توصیف خواص آنها از مکانیک کوانتومی استفاده کرد. یافته‌های اخیر می‌تواند به پر شدن شکاف میان مکانیک کلاسیک و کوانتوم درباره
توصیف ساختارهای ریز کمک کند.
همچنین از نتایج بدست آمده می‌توان برای ساخت تجهیزات آتی بر پایه
نانوتکنولوژی استفاده کرد. یکی از این اهداف ساخت کامپیوترهایی در اندازه کوچک با توان بسیار بالاست.
الیور والدمن (
Oliver Waldmann) از دپارتمان فیزیک دانشگاه اوهایو می‌گوید: این آزمایش نشان داد که می‌توان جنبه‌های مهمی از خواص مکانیک کوانتومی را با معلومات کلاسیکی درک کرد.
ساختار آهنربای مولکولی
مولکولهایی همچون Cr8 را آهنرباهای مولکولی می‌نامند. این ترکیبات هر چند از تعداد کمی اتم تشکیل شده‌اند اما
مولکول بزرگی را تشکیل می‌دهند. آنچه باعث ایجاد خاصیت آهنربایی می‌شود
اسپین الکترونهای اتم است، اما کل مولکول همانند یک آهنربای مجزا عمل می‌کند. Cr8 شامل هشت اتم باردار
کروم است که بصورت حلقه‌ای به هم متصل شده‌اند و اندازه حلقه کمتر از یک نانومتر است.
اسپین این هشت اتم به گونه‌ای است که چهار اتم دارای اسپین هم جهت (به عنوان مثال جهت بالا) و چهار اتم دیگر دارای اسپین در جهت مخالف (پایین) هستند. اسپینهای بالا و پایین اثر هم را خنثی می‌کنند و باعث می‌شوند که Cr8 به عنوان ماده‌ای
آنتی فرومغناطیس شناخته شود. محققان ساختارهای متشکل از اسپین بالا و پایین را به عنوان
ساختار نیل (
Neel) می‌شناسند.
لوئیس نیل فیزیکدان فرانسوی در سال 1970 بخاطر کشف اثر آنتی فرومغناطیس جایزه نوبل را دریافت کرد.
در سال 1952 فیزیکدان دانشگاه پرینستون و برنده جایزه نوبل
فیلیپ آندرسون (Philip Anderson) پیش بینی کرد که اگر اتمها در یک ماده آنتی فرومغناطیس اندکی از حالت تعادل اسپینهای بالا و پایین خارج شوند، گذارهای انرژی آنها همانند یک ساختار موج مانند خواهند بود. اما نظریه آندرسون پیشنهاد می‌کند که وقتی در این نوع آهنرباها ، الکترونها در پایین‌ترین حالت انرژی باشند نوع دومی از القا که
القای نیل نامیده می‌شود به وقوع خواهد پیوست.
این نوع از القای نیل تا به حال مشاهده نشده بود. هنگامی که والدمن در دانشگاه نورنبرگ آلمان بود اساس تئوری این تحقیق را بنا نهاده بود و دیگر همکارانش در اروپا در پی انجام آزمایشهای مربوطه بودند. این قبیل آهنرباهای مولکولی با ساختارهای گوناگون می‌توانند اثرات جدیدی را نشان دهند که یکی از آنها مشاهده القای نیل بود.
تحقیقات در حوزه‌های دیگر
تحقیق درباره آهنرباهای مولکولی می‌تواند امکان استفاده از
شیمی تجزیه را در شناخت خصوصیات آهنرباها فراهم کند و برخی از ویژگیهایی را که قبلاً ناشناخته بودند، معرفی کند. این روش می‌تواند منجر به پیدایش علوم بنیاد جدید و تکنولوژی نوینی گردد. برای انجام دادن آزمایش دانشمندان نمونه Cr8 را تا دمای چند
درجه کلوین سرد کردند. در این حالت الکترونها به احتمال زیاد در پایین‌ترین تراز انرژی قرار می‌گیرند. سپس نمونه‌ها را با استفاده از
نوترونها طوری بمباران کردند که الکترونها انرژی لازم را برای بروز القای نیل کسب کنند.
با انجام بسیار ماهرانه آزمایش تعدادی از اتمها نوترونها را جذب کردند و سیگنالهای ضعیفی از اثرات انرژی پایین آشکار شد، که القای نیل هم یکی از این اثرات بود. فیزیکدانان از این جهت Cr8 را برای انجام آزمایش انتخاب کرده بودند که توانایی تولید سیگنال ضعیف را دارا بود. هنگامی که والدمن سیگنالهای مربوط به سطوح انرژی را پس از انجام آزمایش بررسی می‌کرد، مشاهده کرد که نتیجه آزمایش با آنچه که نیم قرن پیش توسط آندرسون پیش بینی شده بود مطابقت دارد و همه چیز سر جای خودش قرار گرفته است.
والدمن در این باره می‌گوید: من مدت زیادی امیدوار بودم که القای نیل را مشاهده کنم. این پروژه از چهار سال قبل آغاز شده بود با این حال رسیدن به جواب برای ما موفقیت و پیروزی ناگهانی بود و این نتایج بسیار هیجان انگیز بودند، زیرا با وجود آنکه القای نیل یک اثر کوانتوم مکانیکی است اما فیزیکدانان قبلی توانسته بودند آن را با استفاده از
مکانیک کلاسیک تبیین کنند. این ایده می‌تواند در تولید نوع جدیدی از الکترونیک بکار آید.
کامپیوترهای کوانتومی
در الکترونیک معمولی اطلاعات بر پایه کد باینری (Binory) که از صفر و یک تشکیل می‌شود، کد گذاری می‌شوند. صفر یا یک بودن که وابسته به این است که الکترون در ماده‌ای از قبیل
سیلیکون حضور داشته باشد یا نه. اما می‌توان از جهت اسپین الکترونها که هم شامل جهت بالا و هم پایین و هم جهات مابین این دو را شامل می‌شوند، استفاده کرد. از نظر تئوری این روش کد گذاری اطلاعات بسیار بیشتری را تدارک می‌بیند، طوری که یک الکترون به تنهایی می‌تواند انواع مختلفی از اطلاعات را ذخیره کند.
این قبیل کامپیوترهای کوانتومی از نظر حجمی بسیار کوچکتر از کامپیوترهای معمول امروزی خواهند بود، اما در عمل بسیار توانمندتر. در این قبیل کامپیوترها بجای تراشه‌های سیلیکونی از آرایه‌های مولکولی همانند Cr8 استفاده خواهد شد. البته تولید این نوع کامپیوترها نیاز به تکنولوژی خاص دارد که شاید تا چند دهه آینده به طول انجامد. این تحقیق نشان داد که القائاتی از این دست را می‌توان با استفاده از استدلالهای کلاسیکی درک کرد و این روش می‌تواند برای درک دیگر اثرها در این قبیل مواد کمک مؤثری باشد.
مباحث مرتبط با عنوان
