آهن رباي مولكولي:كشف راز مغناطيسي 50 ساله

فيزيكدانان دانشگاه اوهايو با همكاري ديگر دانشمندان براي اولين بار نوعي از خاصيت آهن ربايي را به نمايش درآوردند كه ۵۰ سال قبل پيش بيني شده بود. اين خاصيت عبارت است از يك نوع خاص از گذار انرژي كه براي اتم هاي موجود در يك آهن رباي كوچك روي مي دهد. اين نوع آهن ربا هاي بسيار كوچك كروميوم ۸ (Cr8) ناميده مي شوند. دانشمندان انتظار داشتند اين اثر از قوانين مكانيك كوانتومي تبعيت كند، اما در عمل خواص آهن ربايي مشاهده شده، نشان از قوانين فيزيك كلاسيك داشت. قوانين كلاسيكي حركت و انرژي را مردم در زندگي روزانه خودتجربه مي كنند. اين قوانين درباره اجسامي صدق مي كنند كه به اندازه كافي بزرگ هستند تا با چشم غيرمسلح ديده شوند. اما مكانيك كوانتومي علمي است كه برهمكنش ميان ذرات كوچك (در اندازه اتم) را بررسي مي كند. آهن رباهاي مولكولي Cr8 تا آن اندازه كوچك هستند كه بايد براي توصيف خواص آنها از مكانيك كوانتومي استفاده كرد. يافته هاي اخير مي تواند به پر شدن شكاف ميان مكانيك كلاسيك و كوانتوم درباره توصيف ساختارهاي ريز كمك كند.

همچنين از نتايج به دست آمده مي توان براي ساخت تجهيزات آتي بر پايه نانوتكنولوژي استفاده كرد. يكي از اين اهداف ساخت كامپيوتر هايي در اندازه كوچك با توان بسيار بالاست. اليور والدمن (Oliver Waldmann) از دپارتمان فيزيك دانشگاه اوهايو مي گويد: اين آزمايش نشان داد كه مي توان جنبه هاي مهمي از خواص مكانيك كوانتومي را با معلومات كلاسيكي درك كرد. نتايج به دست آمده توسط والدمن و همكارانش در شماره اخير مجله فيزيكال ريويو لترز (Physical Review Letters) منتشر شده است.

مولكول هايي همچون Cr8 را آهن رباهاي مولكولي مي نامند. اين تركيبات هر چند از تعداد كمي اتم تشكيل شده اند اما مولكول بزرگي را تشكيل مي دهند. آنچه باعث ايجاد خاصيت آهن ربايي مي شود اسپين الكترون هاي اتم است اما كل مولكول همانند يك آهن رباي مجزا عمل مي كند. Cr8 شامل هشت اتم باردار كروم است كه به صورت حلقه اي به هم متصل شده اند و اندازه حلقه كمتر از يك نانومتر است.

اسپين اين هشت اتم به گونه اي است كه چهار اتم داراي اسپين هم جهت (به عنوان مثال جهت بالا) و چهار اتم ديگر داراي اسپين در جهت مخالف (پايين) هستند. اسپين هاي بالا و پايين اثر هم را خنثي مي كنند و باعث مي شوند كه Cr8 به عنوان ماده اي آنتي فرومغناطيس شناخته شود. محققان ساختارهاي متشكل از اسپين بالا و پايين را به عنوان ساختار نيل (Neel) مي شناسند. لوئيس نيل فيزيكدان فرانسوي در سال ۱۹۷۰ به خاطر كشف اثر آنتي فرومغناطيس جايزه نوبل را دريافت كرد. در سال ۱۹۵۲ فيزيكدان دانشگاه پرينستون و برنده جايزه نوبل فيليپ آندرسون (Philip Anderson) پيش بيني كرد كه اگر اتم ها در يك ماده آنتي فرومغناطيس اندكي از حالت تعادل اسپين هاي بالا و پايين خارج شوند، گذار هاي انرژي آنها همانند يك ساختار موج مانند خواهند بود. اما نظريه آندرسون پيشنهاد مي كند كه وقتي در اين نوع آهن رباها، الكترون ها در پايين ترين حالت انرژي باشند نوع دومي از القا كه القاي نيل ناميده مي شود به وقوع خواهد پيوست. اين نوع از القاي نيل تا به حال مشاهده نشده بود.هنگامي كه والدمن در دانشگاه نورنبرگ آلمان بود اساس تئوري اين تحقيق را بنا نهاده بود و ديگر همكارانش در اروپا در پي انجام آزمايش هاي مربوطه بودند.اين قبيل آهن رباهاي مولكولي با ساختار هاي گوناگون مي توانند اثرات جديدي را نشان دهند كه يكي از آنها مشاهده القاي نيل بود.

تحقيق درباره آهن رباهاي مولكولي مي تواند امكان استفاده از شيمي تجزيه را در شناخت خصوصيات آهن رباها فراهم كند و برخي از ويژگي هايي را كه قبلاً ناشناخته بودند، معرفي كند. اين روش مي تواند منجر به پيدايش علوم بنيادي جديد و تكنولوژي نويني گردد. براي انجام دادن آزمايش دانشمندان نمونه Cr8 را تا دماي چند درجه كلوين سرد كردند. در اين حالت الكترون ها به احتمال زياد در پايين ترين تراز انرژي قرار مي گيرند. سپس نمونه ها را با استفاده از نوترون ها طوري بمباران كردند كه الكترون ها انرژي لازم را براي بروز القاي نيل كسب كنند. با انجام بسيار ماهرانه آزمايش تعدادي از اتم ها نوترون ها را جذب كردند و سيگنال هاي ضعيفي از اثرات انرژي پايين آشكار شد، كه القاي نيل هم يكي از اين اثرات بود. فيزيكدانان از اين جهت Cr8 را براي انجام آزمايش انتخاب كرده بودند كه توانايي توليد سيگنال ضعيف را دارا بود. هنگامي كه والدمن سيگنال هاي مربوط به سطوح انرژي را پس از انجام آزمايش بررسي مي كرد، مشاهده كرد كه نتيجه آزمايش با آنچه كه نيم قرن پيش توسط آندرسون پيش بيني شده بود مطابقت دارد و همه چيز سر جاي خودش قرار گرفته است. والدمن در اين باره مي گويد: من مدت زيادي اميدوار بودم كه القاي نيل را مشاهده كنم. اين پروژه از چهار سال قبل آغاز شده بود با اين حال رسيدن به جواب براي ما موفقيت و پيروزي ناگهاني بود و اين نتايج بسيار هيجان انگيز بودند، زيرا با وجود آنكه القاي نيل يك اثر كوانتوم مكانيكي است اما فيزيكدانان قبلي توانسته بودند آن را با استفاده از مكانيك كلاسيك تبيين كنند. اين ايده مي تواند در توليد نوع جديدي از الكترونيك به كار آيد.

در الكترونيك معمولي اطلاعات بر پايه كد باينري (Binory) كه از صفر و يك تشكيل مي شود، كدگذاري مي شوند. صفر يا يك بودن كه وابسته به اين است كه الكترون در ماده اي از قبيل سيليكون حضور داشته باشد يا نه. اما مي توان از جهت اسپين الكترون ها كه هم شامل جهت بالا و هم پايين و هم جهات مابين اين دو را شامل مي شوند، استفاده كرد. از نظر تئوري اين روش كدگذاري اطلاعات بسيار بيشتري را تدارك مي بيند، طوري كه يك الكترون به تنهايي مي تواند انواع مختلفي از اطلاعات را ذخيره كند. اين قبيل كامپيوتر هاي كوانتومي از نظر حجمي بسيار كوچك تر از كامپيوتر هاي معمول امروزي خواهند بود اما در عمل بسيار توانمند تر. در اين قبيل كامپيوتر ها به جاي تراشه هاي سيليكوني از آرايه هاي مولكولي همانند Cr8 استفاده خواهد شد. البته توليد اين نوع كامپيوتر ها نياز به تكنولوژي خاص دارد كه شايد تا چند دهه آينده به طول انجامد. اين تحقيق نشان داد كه القائاتي از اين دست را مي توان با استفاده از استدلال هاي كلاسيكي درك كرد و اين روش مي تواند براي درك ديگر اثر ها در اين قبيل مواد كمك موثري باشد.

Science Daily .Com , 7Jan.2004