کشف باورنکردنی دانشمندان خلاف همه اصول فیزیکی که در مدرسه خوانده‌ایم؛ آهنربایی با فقط یک قطب

یکی از مفاهیمی که در فیزیک مدرسه آموخته‌ایم، این است که هر آهنربا دو قطب دارد: شمالی و جنوبی. این دو قطب همیشه با هم همراه هستند و نمی‌توان آن‌ها را از هم جدا کرد. اگر یک آهنربا را از وسط بشکنیم، دو آهنربای کوچک‌تر با دو قطب شمالی و جنوبی به وجود می‌آیند. اما آیا می‌توان یک آهنربا با فقط یک قطب داشت؟

پاسخ این سوال ممکن است شما را شگفت‌زده کند. دانشمندان اخیراً موفق شده‌اند که یک نوع آهنربای جدید را کشف کنند که فقط یک قطب دارد. این آهنرباها به مونوپول‌های مغناطیسی (magnetic monopoles) معروف هستند و خاصیتی دارند که در آهنرباهای معمولی وجود ندارد: آن‌ها می‌توانند بدون همراهی قطب مخالف وجود داشته باشند.

مونوپول‌های مغناطیسی از دیرباز یکی از معماهای فیزیک بوده‌اند. اولین بار پل دیراک (Paul Dirac)، فیزیکدان بریتانیایی، در سال ۱۹۳۱ ایده‌ای را مطرح کرد که نشان می‌داد چگونه مونوپول‌های مغناطیسی می‌توانند با قوانین فیزیک سازگار باشند. او همچنین پیش‌بینی کرد که وجود این ذرات می‌تواند توضیحی برای چرایی وجود شار مغناطیسی (magnetic flux) در فضا باشد. اما تا کنون هیچ مونوپول مغناطیسی واقعی در طبیعت یافت نشده است.

دانشمندان از سال‌ها پیش سعی کرده‌اند که مونوپول‌های مغناطیسی را در آزمایشگاه تولید یا شبیه‌سازی کنند. اما این کار بسیار دشوار بوده است. تا اینکه گروهی از دانشمندان از دانشگاه لوزان در سوئیس، با استفاده از یک روش نوین، موفق شده‌اند که یک نوع آهنربای مصنوعی را بسازند که رفتار مونوپول مغناطیسی را نشان می‌دهد. این آهنربا از یک ماده نانوساختاری به نام پیرول‌های مغناطیسی (magnetic pyrroles) ساخته شده که دارای خاصیتی به نام مغناطیس‌پذیری منفی (negative magnetization) است.

این خاصیت باعث می‌شود که این ماده در معرض میدان مغناطیسی، جهت مغناطیسی خود را عوض کند و به سمت مخالف میدان مغناطیسی قرار بگیرد. به این ترتیب، این ماده می‌تواند یک قطب مغناطیسی را از دیگری جدا کند و یک آهنربای تک‌قطبی ایجاد کند.

بنابر گزارش Inverse، به تازگی پروفسور هاریوم جانی از دانشگاه آکسفورد و همکارانش در مقاله‌ای علمی که در مجله معتبر Nature به چاپ رسیده به روشی دست یافته‌اند که این ایده را یک بار دیگر بر سر زبان‌ها انداخته است.

آهنربای تک قطبی دانشمندان چطور تشکیل می‌شود؟

در این مقاله، جانی و همکارانش درباره یک کشف جدید در زمینه مغناطیس‌شناسی مشاهدات خود را دسته بندی و توضیح داده‌اند. آن‌ها با استفاده از یک تکنیک تصویربرداری پیشرفته به نام مغناطیس‌سنجی کوانتومی الماسی (diamond quantum magnetometry)، موفق شده‌اند که روی سطح یک قطعه از سنگ هماتیت (hematite)، که یک نوع کانی از اکسید آهن است، میدان‌های مغناطیسی ریزی را نقشه‌برداری کنند. آن‌ها متوجه شده‌اند که روی سطح هماتیت، گروه‌هایی از ذرات با هم ترکیب می‌شوند و یک خاصیت ناشی از تعامل آن‌ها را ایجاد می‌کنند. این خاصیت به خاصیت ناشی (emergent property) معروف است و در این مورد، آن خاصیت این است که این گروه‌های ذرات می‌توانند میدان‌های مغناطیسی کوچکی را با فقط یک قطب تولید کنند.

این میدان‌های مغناطیسی تک‌قطبی، که به مونوپول‌های مغناطیسی (magnetic monopoles) معروف هستند، در تضاد با اصلی هستند که همه ما در درس فیزیک و بخش مغناطیس‌شناسی در دوران مدرسه آموخته‌ایم. آن اصل این است که هر مغناطیس دو قطب دارد: شمال (N) و جنوب (S). این دو قطب همیشه با هم همراه هستند و نمی‌توان آن‌ها را از هم جدا کرد. اما در این مورد، ما با یک نوع مغناطیس مواجه هستیم که فقط یک قطب دارد و بدون همراهی قطب مخالف پایدار است.

جانی در ادامه این مقاله به پدیده دیگری اشاره کرده و می‌گوید که این مغناطیس‌های تک‌قطبی، از نوع کوآزی‌ذره (quasi-particle) هستند. به بیان ساده باید گفت که این مغناطیس‌ها در حقیقت یک ذره واقعی نبوده، بلکه نتیجه‌ای از تعامل گروه‌هایی از ذرات هستند که مانند یک ذره رفتار می‌کنند. این گروه‌های ذرات، با استفاده از ممان زاویه‌ای (angular momentum) خود، یک میدان مغناطیسی تولید می‌کنند که فقط یک قطب دارد. ممان زاویه‌ای، به طور ساده، نیروی چرخش یک ذره است.

اما این کشف از آن نظر مهم است که می‌تواند کاربردهای متعددی در زمینه‌های مختلف داشته باشد. برای مثال، این کشف می‌تواند در زمینه ذخیره‌سازی اطلاعات مورد استفاده قرار بگیرد. در نظر داشته باشید که یک حافظه کامپیوتری بر اساس اصول مغناطیس، یا به طور دقیق‌تر، بر اساس چرخش مغناطیسی (magnetic spin) شکل یافته است. اگر ما بتوانیم مونوپول‌های مغناطیسی را جدا کنیم (حتی اگر کوآزی‌ذره باشند به جای ذره واقعی) آنگاه مهندسان بیشتری می‌توانند چرخش مغناطیسی را کنترل کنند. حتی ممکن است این ذرات بتوانند اطلاعات را بر اساس جهت شمالی یا جنوبی قطب‌های مغناطیسی مرتب و ذخیره کنند که حالتی مشابه با یک‌ها و صفر‌های دستگاه‌های ذخیره‌سازی مغناطیسی معمولی را تشکیل داده و به اهداف امروزی ما بسیار نزدیک‌تر هستند.

دانشمندان امیدوارند که با ادامه تحقیقات خود، بتوانند مونوپول‌های مغناطیسی را به صورت کامل درک و کنترل کنند و از آن‌ها برای حل مسائل پیچیده استفاده کنند. این کشف نشان می‌دهد که هنوز بسیاری از اسرار فیزیک کشف نشده و ممکن است برخی از آن‌ها خلاف آنچه که فکر می‌کنیم بوده و تمامی دورسی که در دوران مدرسه خوانده‌ایم را  به چالش بکشند.