موفقیت پژوهشگران در تبدیل فلزات به آهنربا به کمک نور لیزر

مارک رودنر، مؤسسه نیلز بور، دانشگاه کپنهاگ

پژوهشگران دانشگاه کپنهاگ دانمارک و دانشگاه صنعتی نانیانگ سنگاپور راهی جهت تبدیل فلزات غیرآهنربایی به آهنربا با استفاده از نور لیزر یافته اند. این فرآیند همچنین می تواند جهت ایجاد خواص جدید در بسیاری از مواد بکار گرفته شود.

خصوصیات ذاتی مواد ناشی از ترکیب شیمیایی آن ها (نوع اتم ها و نحوه ترکیب آنها) است. به طور مثال ترکیب شیمیایی تعیین می کند که رسانایی الکتریکی یک ماده چگونه است و یا خواص آهنربایی دارد یا ندارد. بنابراین علم شیمی راه سنتی برای رسیدن به خواص جدید است. در حال حاضر پژوهشگرانی از دانشگاه های کپنهاگ دانمارک و نانیانگ سنگاپور راه فیزیکی جدیدی برای تغییر خواص مواد یافته اند. در این فرآیند هنگامی که یک فلز با نور لیزر برانگیخته شود، می تواند از درون تغییر یابد و ناگهان خواص جدیدی داشته باشد.

آقای مارک رودنر، پژوهشگر مؤسسه نیلز بور دانشگاه کپنهاگ تحقیقاتشان را چنین توضیح میدهد: “ما سال ها برای یافتن روشی جهت تغییر دادن خواص مواد با تاباندن انواع مختلف نور بر آن ها مطالعه میکردیم. یافته جدید ما این است که نه تنها میتوانیم خواص مواد را با بکارگیری نور تغییر دهیم، بلکه می توانیم سبب شویم که مواد خود را از درون تغییر دهند و تبدیل به ماده ای جدید با خواصی کاملاً جدید شوند. به عنوان مثال یک فلز غیرمغناطیس می تواند به یکباره به یک آهنربا تبدیل شود.”

مارک رودنر و همکارش، جاستین سانگ از دانشگاه صنعتی نانیانگ، به این موفقیت نائل شدند و نتایج آن را در مجله Nature Physics منتشر کردند. ایده ایجاد تغییر در خواص مواد با بکارگیری نور، ایده جدیدی نیست. اما تا کنون پژوهشگران تنها موفق شده بودند تا خواصی که قبلاً در ماده وجود داشتند را دستکاری کنند. در روش جدید “حیاتی جداگانه[۱]” به فلز داده میشود و به آن اجازه داده میشود تا خواص جدیدی را ایجاد کند که تا پیش از این مشاهده نشده بود. از نظر تحلیل تئوری این پژوهشگران ثابت کردند هنگامیکه یک دیسک فلزی غیرمغناطیسی بوسیله نور قطبیده خطی مورد تابش قرار گیرد، جریان های الکتریکی چرخشی و در نتیجه خاصیت آهنربایی می تواند به یکباره در دیسک ایجاد گردد. پژوهشگران از پلاسمون[۲] ها ( نوعی موج الکترونی) که در مواد یافت میشوند، برای توضیح تغییر در خواص ذاتی آن ها استفاده می کنند. هنگامی که نور لیزر به ماده تابانده میشود، پلاسمون های موجود در دیسک فلزی شروع به چرخش در جهت ساعتگرد یا پاد ساعتگرد می کند. این تغییر در پلاسمون ها ساختار کوانتوم الکترونی ماده و همزمان رفتار پلاسمون ها را تغییر میدهد و کاتالیزگر فرآیندی به نام “حلقه فیدبک[۳]” میشود. نهایتاً فیدبک از میدان های الکتریکی داخلی پلاسمون ها سبب می شود تا پلاسمون ها تقارن ذاتی ماده را برهم زده و ناپایداری ای ایجاد شود که باعث چرخش به دور خود پلاسمون ها شده و در نهایت ماده خاصیت آهنربایی پیدا کند.     

بکارگیری این شیوه جهت ایجاد خواص “بر حسب نیاز“

به نظر مارک رودنر، این روش دیدگاه کاملاً جدیدی را بر روی گستره ای از کاربرد ها می گشاید. آقای رودنر می گوید: “این یک نمونه است که چگونه برهمکنش نور با یک ماده می تواند جهت ایجاد خاصیت معینی در ماده بکار گرفته شود. این روش همچنین راه را برای کاربردهای گوناگون هموار کرده است زیرا اصول کارکرد بسیار عمومی است و میتواند بر بسیاری از مواد اعمال شود. ما نشان داده ایم که می توانیم یک ماده را به آهنربا تبدیل کنیم. ما همچنین ممکن است بتوانیم یک ماده را به یک ابر رسانا یا چیزی کاملاً متفاوت تبدیل کنیم. شما میتوانید این را کیمیاگری در قرن ۲۱ بنامید. در قرن های پیشین مردم در تلاش بودند تا قلع را به طلا تبدیل کنند. امروزه ما در نظر داریم یک ماده را با استفاده از لیزر به گونه ای تغییر دهیم که همانند ماده ای دیگر رفتار می کند.”

به گفته آقای رودنر از جمله کاربردهای احتمالی این قابلیت می توان به شرایطی اشاره کرد که نیاز داشته باشیم ماده ای به صورت تناوبی رفتار آهنربایی و غیرآهنربایی از خود نشان دهد. همچنین این قابلیت میتواند در الکترو-اپتیک جهت فیبرهای اینترنت یا توسعه سنسورها بکار گرفته شود. گام بعدی پژوهشگران توسعه مجموعه خواصی است که میتواند جهت اهداف معین تغییر داده شوند و همچنین ترغیب به استفاده از این فناوری است.