المغناطيسية المعاكسة

يمكن اعتبار الموصلات الفائقة مواد مغناطيسية معاكسة مثالية ( χ _v = −1 )، لأنها تطرد جميع المجالات المغناطيسية (باستثناء طبقة سطحية رقيقة) بسبب تأثير مايسنر . ^{[ 8 ]}

إذا غُطّي مغناطيس قوي (مثل المغناطيس الفائق ) بطبقة رقيقة من الماء (مقارنة بقطر المغناطيس)، فإن مجال المغناطيس يصد الماء بقوة. وهذا يُحدث انخفاضًا طفيفًا في سطح الماء يمكن رؤيته من خلال انعكاس الضوء عليه.

يمكن رفع المواد المغناطيسية المعاكسة في حالة اتزان مستقر داخل مجال مغناطيسي، دون استهلاك أي طاقة. ويبدو أن نظرية إيرنشو تستبعد إمكانية الرفع المغناطيسي الساكن. مع ذلك، لا تنطبق نظرية إيرنشو إلا على الأجسام ذات القابلية المغناطيسية الموجبة، مثل المواد المغناطيسية الحديدية (التي تمتلك عزمًا مغناطيسيًا موجبًا دائمًا) والمواد المغناطيسية المسايرة (التي تُحدث عزمًا مغناطيسيًا موجبًا). تنجذب هذه المواد إلى نقاط القوة العظمى للمجال المغناطيسي، والتي لا توجد في الفضاء الحر. أما المواد المغناطيسية المعاكسة (التي تُحدث عزمًا مغناطيسيًا سالبًا) فتنجذب إلى نقاط الضعف الصغرى للمجال المغناطيسي، وقد توجد نقطة ضعف صغرى للمجال المغناطيسي في الفضاء الحر.

يمكن تعويم شريحة رقيقة من الجرافيت المحلل حرارياً ، وهو مادة ذات مغناطيسية معاكسة قوية بشكل غير عادي، بثبات في مجال مغناطيسي، مثل المجال الناتج عن المغناطيسات الدائمة المصنوعة من العناصر الأرضية النادرة . ويمكن القيام بذلك مع بقاء جميع المكونات في درجة حرارة الغرفة، مما يوفر عرضاً مرئياً فعالاً وسهلاً نسبياً لظاهرة المغناطيسية المعاكسة.

أجرت جامعة رادبود نيميغن في هولندا تجارب نجحت فيها عملية رفع الماء ومواد أخرى في الهواء. والأكثر إثارة للدهشة هو رفع ضفدع حي ( انظر الشكل ) . ^{[ 10 ]}

في سبتمبر/أيلول 2009، أعلن مختبر الدفع النفاث التابع لوكالة ناسا في باسادينا، كاليفورنيا، عن نجاحه في رفع فئران باستخدام مغناطيس فائق التوصيل ، ^{[ 11 ]} وهي خطوة مهمة إلى الأمام نظرًا لأن الفئران أقرب بيولوجيًا إلى البشر من الضفادع. ^{[ 12 ]} وذكر المختبر أنه يأمل في إجراء تجارب لدراسة تأثيرات انعدام الجاذبية على كتلة العظام والعضلات.

أدت التجارب الحديثة التي تدرس نمو بلورات البروتين إلى تقنية تستخدم مغناطيسات قوية للسماح بالنمو بطرق تقاوم جاذبية الأرض. ^{[ 13 ]}

تنطبق نظرية بول لانجفين للمغناطيسية المعاكسة (1905) ^{[ 15 ]} على المواد التي تحتوي على ذرات ذات أغلفة إلكترونية مغلقة (انظر المواد العازلة ). يؤدي تطبيق مجال شدته B على إلكترون ذي شحنة e وكتلة m إلى ظهور ترنح لارمور بتردد ω = eB / 2 m . عدد الدورات في وحدة الزمن هو ω / 2π ، وبالتالي فإن التيار لذرة تحتوي على Z إلكترون هو ( بوحدات النظام الدولي للوحدات ) ^{[ 14 ].}

${\displaystyle I=-{\frac {Ze^{2}B}{4\pi m}}.}$

العزم المغناطيسي لحلقة تيار يساوي شدة التيار مضروبة في مساحة الحلقة. بافتراض أن المجال المغناطيسي موازٍ للمحور z ، يمكن التعبير عن متوسط ​​مساحة الحلقة كما يلي:${\displaystyle \scriptstyle \pi \left\langle \rho ^{2}\right\rangle }$، أين${\displaystyle \scriptstyle \left\langle \rho ^{2}\right\rangle }$يمثل متوسط ​​مربع المسافة بين الإلكترونات عموديًا على المحور z . وبالتالي، فإن العزم المغناطيسي هو

${\displaystyle \mu =-{\frac {Ze^{2}B}{4m}}\langle \rho ^{2}\rangle .}$

إذا كان توزيع الشحنة متناظرًا كرويًا، فيمكننا افتراض أن توزيع إحداثيات x و y و z مستقل ومتطابق التوزيع . عندئذٍ${\displaystyle \scriptstyle \left\langle x^{2}\right\rangle \;=\;\left\langle y^{2}\right\rangle \;=\;\left\langle z^{2}\right\rangle \;=\;{\frac {1}{3}}\left\langle r^{2}\right\rangle }$، أين${\displaystyle \scriptstyle \left\langle r^{2}\right\rangle }$هو متوسط ​​مربع المسافة بين الإلكترونات والنواة. لذلك،${\displaystyle \scriptstyle \left\langle \rho ^{2}\right\rangle \;=\;\left\langle x^{2}\right\rangle \;+\;\left\langle y^{2}\right\rangle \;=\;{\frac {2}{3}}\left\langle r^{2}\right\rangle }$. لو${\displaystyle n}$يمثل عدد الذرات لكل وحدة حجم، وقابلية التمغنط الحجمي بوحدات النظام الدولي للوحدات هي ^{[ 16 ]}

${\displaystyle \chi ={\frac {\mu _{0}n\mu }{B}}=- {\frac {\mu _{0}e^{2}Zn}{6m}}\langle r^{2}\rangle .}$

في الذرات، تكون قابلية لانجفين المغناطيسية من نفس رتبة حجم قابلية فان فليك المغناطيسية البارامغناطيسية .

لا تُقدّم نظرية لانجفين صورةً كاملةً للمعادن لوجود إلكترونات غير متمركزة. تُعرف النظرية التي تصف المغناطيسية المعاكسة في غاز الإلكترونات الحرة باسم مغناطيسية لاندو المعاكسة ، نسبةً إلى ليف لاندو ، ^{[ 17 ]} وهي تُراعي المجال المُعاكس الضعيف الذي يتشكّل عندما تنحني مسارات الإلكترونات بفعل قوة لورنتز . مع ذلك، يجب مُقارنة مغناطيسية لاندو المعاكسة بالمغناطيسية البارامغناطيسية لباولي ، وهي ظاهرة مرتبطة باستقطاب دوران الإلكترونات غير المتمركزة. ^{[ 18 ] [ 19 ]} في حالة النظام ثلاثي الأبعاد ذي المجالات المغناطيسية المنخفضة، يُمكن حساب قابلية المغناطيسية المعاكسة (الحجمية) باستخدام تكميم لاندو ، والتي تُقاس بوحدات النظام الدولي للوحدات بـ

${\displaystyle \chi =-\mu _{0}{\frac {e^{2}}{12\pi ^{2}m\hbar }}{\sqrt {2mE_{\rm {F}}}},}$

أين${\displaystyle E_{\rm {F}}}$هي طاقة فيرمي . وهذا يعادل${\displaystyle -\mu _{0}\mu _{\rm {B}}^{2}g(E_{\rm {F}})/3}$، بالضبط${\textstyle -1/3}$قابلية باولي المغناطيسية، حيث${\displaystyle \mu _{\rm {B}}=e\hbar /2m}$هو مغنطون بور و${\displaystyle g(E)}$تمثل كثافة الحالات (عدد الحالات لكل طاقة لكل وحدة حجم). وتأخذ هذه الصيغة في الاعتبار انحلال اللف المغزلي لحاملات الشحنة (الإلكترونات ذات اللف المغزلي 1/2).

في أشباه الموصلات المشوبة، قد تتغير نسبة قابلية لاندو وقابلية باولي المغناطيسية نتيجة لاختلاف الكتلة الفعالة لحاملات الشحنة عن كتلة الإلكترون في الفراغ، مما يزيد من المساهمة المغناطيسية المعاكسة. تنطبق الصيغة المعروضة هنا فقط على المادة الصلبة؛ أما في الأنظمة المحصورة مثل النقاط الكمومية ، فيتغير الوصف بسبب الحصر الكمومي . ^{[ 20 ] [ 21 ]} بالإضافة إلى ذلك، في حالة المجالات المغناطيسية القوية، تتذبذب قابلية الإلكترونات غير المتمركزة كدالة لشدة المجال، وهي ظاهرة تُعرف بتأثير دي هاس-فان ألفين ، والذي وصفه لاندو نظريًا لأول مرة.