בא לשכונה מגנט חדש

מגנטים יכולים להופיע בכל מיני צורות ואופנים. הסוג הנפוץ והמוכר ביותר הוא מגנט קבוע, כמו זה שעל המקרר; סוג אחר של מגנטים מחליפים את תכונותיהם בהתאם לטמפרטורה. מחקרים תיאורטיים מהשנים האחרונות גרסו שיש מקרים שבהם יש מגנטיות אפסית בכל החומר – ויחד עם זאת יש כוחות מגנטיים קטנים וקבועים בתוך החומר. האם מדובר בסתירה, ואם כן, כיצד מיישבים אותה? מחקר חדש אישש את התיאוריה הזאת.

מגנטיות מהסוג הנפוץ והמוכר ביותר, שבזכותו מגנטים נצמדים למקרר שלנו. פסגות הנוצרות בנוזל פרומגנטי בשדה מגנטי חיצוני | Lawrence Lawry / Science Photo Library

אלפיים שנות מגנוט

תופעת המגנטיות מוכרת לאדם עוד מימי קדם. שתי מהפכות מדעיות שחלו במאתיים השנה האחרונות – המהפכה של תורת היחסות והמהפכה הקוונטית – הסבירו את התופעה, וכיום הפיזיקאים מבינים את הקשר בין מגנטיות לספין של האלקטרונים. הספין הוא תכונה חמקמקה שדומה למהירות הזוויתית של אלקטרון – המהירות שבה האלקטרון מסתובב סביב עצמו – אך שונה ממנה. לחלקיק עם מטען חשמלי ועם ספין יש תכונות מגנטיות דומות לאלה של חלקיק מסתובב עם מטען חשמלי; מצד שני, בעוד מהירות זוויתית היא תכונה קלאסית, שניתן למדוד באמצעות סרגלים ושעונים, ספין היא תכונה קוונטית. בכתבה זו נתייחס לאלקטרונים עם ספין כ"ספינים".

יש סוגים שונים של מגנטיות. הסוג הנפוץ והמוכר ביותר, שבזכותו מגנטים נצמדים למקרר שלנו, שעומד בבסיס פעולתו של המצפן, הוא פרומגנטיות (Ferromagnetism), מהמילה הלטינית לברזל (Ferrum). ברמה המיקרוסקופית, בחומרים פרומגנטיים כמו ברזל, קובלט או ניקל, כשהספינים מצויים בשדה מגנטי חיצוני – כלומר, בכל גוף שנמצא מחוץ למגנט והכוח המגנטי פועל עליו – הסידור שלהם אחיד. אם נחשוב על ספין בתור חץ שיכול להיות מכוון למעלה או למטה, כשנציב פרומגנט בשדה מגנטי, כל החיצים יסתדרו מייד ויצביעו באותו כיוון. גם כשנוציא את המגנט מהשדה, הם ימשיכו להצביע בכיוון הזה, ולכן הפרומגנט נקרא לעיתים "מגנט קבוע".

ההפך מפרומגנט, נקרא – איך לא – אנטי-פרומגנט, ויש מעט חומרים כאלה. אחד מהם הוא המתכת כרום. באנטי-פרומגנט, ספינים שכנים מצביעים בכיוונים הפוכים זה לזה, אך הביטוי המקרוסקופי של המצב הזה תלוי בטמפרטורה. התלות הזו נובעת מיחסי הגומלין בין חום החומר וכמות האנרגיה המגנטית של כל ספין. בטמפרטורות נמוכות, האנטי-פרומגנטיות מתבטאת בדיאמגנטיות (Diamagnetism) – יצירה של שדה מגנטי שהפוך בכיוונו לשדה החיצוני, כך שהשדה החיצוני והחומר דוחים זה את זה. בטמפרטורות גבוהות החומר עשוי לבטא פאראמגנטיות (Paramagnetism), שבה הספינים מאורגנים באקראי והמגנטיות שלהם אפסית.

אַלְטֶרְמגנטיות היא מעין יצור כלאיים בין פרומגנטיות ובין אנטי-פרומגנטיות. מגנט וסביבו שבבי ברזל | Pichet siritantiwat, Shutterstock 

המגנטיות שמסתתרת בחלקיקים

אלה הם, בקצרה, סוגי המגנטיות העיקריים שהכרנו עד לפני שנים אחדות. והנה, בין השנים 2019 ו-2021 הופיעו מחקרים תיאורטיים שגרסו שיש תופעת ביניים, שאינה פרומגנטיות או אנטי-פרומגנטיות, אלא יצור הכלאיים אַלְטֶרְמגנטיות (Altermagnetism). מצד אחד, המגנטיות הכוללת בחומר היא אפסית, בדומה לאנטי-פרומגנט; מצד שני, באופן מקומי סידור הספינים יוצר כוחות מגנטיים קטנים וקבועים. מחקר חדש שהתפרסם בכתב העת המדעי Nature ומאמת את טענותיהם של התיאורטיקנים מצא אַלְטֶרְמגנטיות בגבישי מנגן-טלור.

"אַלְטֶרְמגנטיות אינה מאוד מסובכת", מספר החוקר הראשי במחקר, תומאש יונגווירת (Jungwirth) מהאקדמיה הצ'כית למדעים. "מדובר בעניין בסיסי לחלוטין שהיה מונח לנגד עינינו במשך עשרות שנים בלי שהבחנו בו". מה גורם לתופעה הזו?

בשונה מפרומגנטים ואנטי-פרומגנטים, קיומם של אַלְטֶרְמגנטים דורש גם סידור מסוים של הספינים וגם גיאומטריה מסוימת של הגביש. כאמור, המגנטיות הכוללת של אַלְטֶרְמגנט היא אפס, כי ספינים שכנים מנוגדים זה לזה, אך בניגוד לאנטי-פרומגנט או לפרומגנט, גם מבנה רמות האנרגיה של ספינים שכנים אינו זהה, ותבנית המבנה הזאת חוזרת על עצמה שוב ושוב.

מה פירוש "מבנה רמות האנרגיה"? לפי מכניקת הקוונטים, לאלקטרונים באטום יש רק אנרגיות מסוימות. כשאטומים מתחברים למולקולות, נוצרות רמות אנרגיה שלא היו נגישות קודם. החיבור של אטומים זה לזה ברשת מסודרת, למשל בגבישים מוצקים, מאפשר את קיומם של פסי אנרגיה, שהם רצפים של אנרגיות של אלקטרונים – אנרגיות מותרות. 

מה הן אנרגיות מותרות? לפי מכניקת הקוונטים, אלקטרונים באטום יכולים להיות רק בעלי אנרגיות מסוימות ("מותרות"). חשבו על ספרייה שיש בה עשרה מדפים, ורק בשלושה מתוכם יש ספרים – לדוגמה, המדף הראשון, החמישי והתשיעי. כשמצרפים כמה אטומים ביחד ויוצרים מהם מולקולה, האלקטרונים יכולים להימצא במצבים רבים יותר. מערך האנרגיות המותרות שלהם מתחיל להצטופף. במונחי הספרייה, יהיו עכשיו ספרים בשישה או שבעה מבין עשרת המדפים. בחומר מוצק יש המוני אטומים צפופים יחד, וכך, במונחי הספרייה שלנו, בכל אחד מעשרת המדפים יש כעת ספרים. 

לדברי החוקרים מנגן-טלור אינו פרומגנט ואינו אנטי-פרומגנט. סידור הספינים ופסי האנרגיה באַלְטֶרְמגנט | Libor Šmejkal, Wikimedia

פסי אנרגיה במבנים אחרים

באַלְטֶרְמגנטים, לספינים מנוגדים יש גם פסי אנרגיה במבנים אחרים (כמו באיור מעלה). החוקרים מוסיפים שהודות לדיוק הגבוה ולרגישות של הניסויים, הם הצליחו להראות שמנגן-טלור אינו פרומגנט ואינו אנטי-פרומגנט. הם מדדו פיצולים של מבני הפסים, שנובעים מכך שלספינים שכנים ומנוגדים יש סידור אנרגיה שונה.

התכונה הזאת, שקיימת בין השאר בגביש שנחקר, לא הופכת את החומר לבעל מגנטיות חזקה שתאפשר לכם ליצור מגנטים לבית העסק שלכם, אבל באופן מקומי, בקנה מידה קטן, נוצרים אתרים מגנטיים שמאפשרים אולי להדביק פתקים מיקרוסקופיים. וברצינות, כבר הוצעו שימושים לאַלְטֶרְמגנטים בתעשיית המחשוב, שהרי כל מחשב אוצר מידע על התקנים אלקטרוניים ומגנטיים. אַלְטֶרְמגנטים צריך לייצר – אך באיזה כמויות אפשר לייצר אותם? האם הם יכולים להוזיל עלויות ייצור של מחשבים או רכיביהם? לאפשר אחסון של נפח מידע רב יותר? לשמור על חום נמוך במערכות הפעלה? כל זאת עדיין מוקדם לקבוע.