پژوهش‌گران به یک «شلنگ» مغناطیسی دست‌یافته‌اند که با استفاده از آن میدان‌های مغناطیسی قادر خواهند بود فواصل بیشتری را طی کنند؛ این شلنگ از مواد فرومغناطیس و ابررسانا ساخته شده است. اگرچه راه‌بَرهای شار مغناطیسی پیش‌تر نیز وجود داشته‌اند اما طرح جدید این پژوهش‌گران این پتانسیل را دارد تا میدان‌های مغناطیسی را در طول فواصل بیشتر و بدون افت انتقال دهد و توانسته در افزایش چگالی ذخیره رسانه‌ی ضبط مغناطیسی یا برای ایجاد تصاویر مغناطیسی با وضوح بالا در میان دیگر کابردها استفاده شود.

بخش عمده‌ای از فناوری نوین بر توانایی ما در فرستادن امواج الکترومغناطیسی از نقطه‌ی A به نقطه‌ی B با کمترینِ اتلاف انرژی و اطلاعات تکیه دارد. امواج فروسرخ محدودشده در فیبرهای نوری داده‌ها را در اینترنت انتقال می‌دهند. توان الکتریکی اولیه نیز بوسیله‌ی خطوط انتقال ولتاژ بالا راهی شهرهای بزرگ می‌شوند. با این وجود میدان‌های مغناطیسی ایستا به دشواری در فواصل بزرگ کانال کشی می‌شوند. این میدان‌ها معمولاً بسیار سریع‌تر افت می‌کنند. راه‌حلی بر این مشکل توسط آلوارو سانچز (Alvaro Sanchez) از دانشگاه خودمختار بارسلونا در اسپانیا و همکارانش پیشنهاد شده است [1]. نویسندگان این مقاله که نتایج کار خود را در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز به چاپ رسانده‌اند٬ یک «شلنگ» مغناطیسی را طراحی و آزمایش کرده‌اند که به عنوان یک کانال٬ میدان مغناطیسی را به فاصله‌ای بیش از ۱۰ سانتی‌متر انتقال می‌دهد.

شکل۱. پوسته‌های متناوب استوانه‌ای از مواد فرومغناطیس و ابررسانا به عنوان یک شلنگ مغناطیسی. (شکل چپ) سطح مقطعی از شلنگ مغناطیسی با یک منبع دوقطبی مغناطیسی در یک انتهای آن. (شکل راست) نمایش میدان مغناطیسی ایستای تولید شده توسط منبع دوقطبی نزدیک ورودیِ شلنگ مغناطیسی دولایه‌ای. این شلنگ (تقریباً) یک نسخه‌ی جابجاشده و دوران‌یافته از میدان دوقطبی را در انتهای دیگرِ خود ایجاد می‌کند.   

این شلنگ مغناطیسی (شکل ۱) که توسط سانچز و همکارانش طراحی شده از استوانه‌های هم‌مرکز و متناوب از ماده‌ای با پذیرفتاری بالا(یک فرومغناطیس) و یک ماده با پذیرفتاری کم(یک ابررسانا) ساخته شده است. وقتی یک منبع میدان در یک انتهای این استوانه قرار می‌گیرد٬ پوسته‌های فرومغناطیسی٬ مغناطیسی شده و میدان در طول استوانه‌ها بازتولید می‌شود. در این حال استوانه‌های ابرسانا خطوط میدان را از گسترش به سمت بیرون حفظ می‌کند. این پژوهش‌گران به شکل عددی نشان داده‌اند که  این شلنگ (چنان‌چه تعداد پوسته‌های بیشتری به کار گرفته شود) بهتر می‌تواند قابلیت انتقال را از خود نشان دهند اما حتی یک طرح دولایه‌ای نیز بعنوان یک شلنگ مغناطیسی موثر عمل می‌کند. این تیم برای اثبات این موضوع یک شلنگ مغناطیسی دولایه‌ای ساخته‌اند که ۱۴ سانتی‌متر درازا داشته٬ لایه‌ای از اکسید مس باریم ایتریمِ ابرسانا به اطراف استوانه‌ا‌ی ساخته شده از یک آلیاژ آهن فرومغناطیس پیچیده شده است. پژوهش‌گران با استفاده از یک حلقه‌ی حامل جریان بعنوان یک منبع نشان داده‌اند که شدت میدان انتقال یافته توسط این طرح تا ۴ برابر قوی‌تر از آن چیزی است که توسط یه شلنگ ساده‌تر ساخته شده از تنها یک استوانه‌ی فرومغناطیس منتقل می‌شود.

فیزیک‌پیشگان تقریباً دو دهه است که نحوه‌ی تولید و دستکاری میدان‌های مغناطیسی مارپیچیِ استاتیک را شناخته‌اند. اما این طرح که توسط سانچز و همکارانش ارائه شده زمینه‌ی نسبتاً جدیدی از اپتیکِ تبدیل (transformation optics) را رشد داده است. این زمینه چارچوبی ریاضی برای مطالعه‌ی این موضوع است که مواد چگونه با ویژگی‌های الکتریکی و مغناطیسی غیرعادی می‌توانند مسیر نور را به هم بریزند. این مواد را می‌توان با ساخت آرایه‌هایی از مولفه‌ها (همچون ابررساناها یا نانومدارها) در داخل «شبه‌مواد» مهندسی کرد. اپتیکِ تبدیل٬ طرح‌های الهام گفته شده‌ای برای «ابرلنزها»یی دارد که نور را فراتر از محدوده‌ی پراش متمرکز می‌کنند٬ طرح‌هایی برای اپتیک وهمی (illusion optics) که باعث می‌شود یک شی شبیه یک شی دیگر بنظر آید٬ طرح‌هایی برای شبه‌سطوح تک‌لایه‌ای با ویژگی‌های شکستی غیرعادی و شاید چشم‌گیرترین شان «پنهان سازها» باشد. در اصل می‌توان یک ساختار شبه‌ماده حول یک جسم ساخت تا آن جسم را از دیدها پنهان کند٬ این جسم هیچ سایه‌ای نداشته و هیچ نوری را که به آن برخورد می‌کند بازتاب نمی‌کند و این باعث می‌شود به شکل موثری نامرئی باشد. طرح‌های نظری مختلفی برای پنهان‌سازی پیشنهاد شده است [2,3] و چند آزمایش‌ انجام شده که نشان از شواهد محدودی برای نامرئی شدن دارد[4].

اپتیکِ تبدیلی که در پس پنهان‌سازی وجود دارد راهی را از پنهان‌سازی یک جسم غوطه‌ور در میدان مغناطیسی ایستا تا انتقال واقعی این میدان به یک فاصله‌ی مفید را پیشنهاد می‌دهد. در اصل پنهان‌سازی میدان مغناطیسی ایستا راحت‌تر از پنهان‌سازی نور است چون این نیاز که فاز موج گذرنده کناری و موج گذرنده‌ی در داخل پنهان‌ساز بایستی تطابق داشته باشد٬ حذف می‌شود و این یعنی مواد بکاررفته الزامات کمتری لازم دارند. اولین پیشنهاد برای یک پنهان‌ساز مغناطیسی dc [5] و پیاده‌سازی های اولیه تجربیِ آن با استفاده از ابررساناها [6] پیشرفت های الهام بخشی را در زمینه‌ی اپتیکِ تبدیلیِ مغناطیسی ایستا داشته است [7]. به عنوان مثال راه سنتی برای حفاظت اجسام از میدان‌های خارجی٬ استفاده از موادی است که یا پذیرفتاری خیلی بالا و یا پذیرفتاری نزدیک به صفر دارند (یعنی پذیرفتاری فلزات و ابررساناها). اما این حفاظ‌ها نیز خطوط میدان را به هم می‌ریزند و باعث می‌شوند جسم موردنظر قابل آشکارسازی باشد. می‌توان بر این مشکل با استفاده از یک پوسته‌ی ساخته شده از ماده‌ی غیرهمسانگرد مغناطیسی فائق آمد. با این وجود مفهوم اصلی این موضوع نیازمند آن است که پذیرفتاری مغناطیسی موردنیاز (نزدیک لبه‌های داخلی و خارجی پوسته) مقادیر بی‌نهایت به خود گیرد. پیشنهاد اخیر [8] که توسط سانچز و همکارانش ارائه شده نشان می‌دهد که یک پوسته‌ی استوانه‌ای با پذیرفتاری یکنواخت موضعی اما غیرهمسانگرد به خوبی می‌تواند همچون یک پنهان‌ساز عمل کند.

در سال ۲۰۱۲ پژوهش‌گران اولین پنهان‌ساز مغناطیسیِ استوانه‌ای dc را به شکل آزمایشگاهی ساختند[1]. این استوانه از صفحات سربی ابررسانا و لایه‌هایی از نیکل و آهن فرومغناطیس تشکیل شده بود. این پنهان‌سازِ مغناطیسیِ اولیه برای محافظت داخل استوانه از میدان‌های مغناطیسی خارجی موثر بود و میدان‌های خارج این محفظه (نزدیک به سطح آن) تقریبا به شکل کاملی بواسطه‌ی حضور این پنهان‌ساز برای گستره‌ای از مقادیر میدان مغناطیسی تغییر نیافته بود.

در همان سال٬ سانچز و همکارانش یک پنهان‌ساز مغناطیسی dc بسیار ساده‌تری را ساختند که از دو استوانه‌ی هم‌محور تشکیل شده بود؛ استوانه‌های داخلی و خارجی به ترتیب از ابررسانای نورد شده و فویل فرومغناطیس ساخته شده بود [10]. این طرح٬ تنها جسم را از میدان‌های مغناطیسی خارجیِ یکنواخت پنهان می‌کرد و این پنهان‌سازی هرچند چشم‌گیر بود اما کامل نبود. مزیت این طرح آن این بود که برای ساخت آن به ریزساختارها نیاز نبود و می‌شد از محصولات موجود با صرفه‌ی اقتصادی برای ساخت آن‌ها استفاده کرد.

سانچز و همکارانش برای رسیدن از یک پنهان‌ساز مغناطیسی به یک شلنگ مغناطیسی از مزیتِ مفهوم موسوم به بُره‌ی انتقال مغناطیسیِ اپتیکِ تبدیل [1] استفاده کرده‌اند. این بُره پذیرفتاری مغناطیسی بی‌نهایتی عمود بر بُره داشته و پذیرفتاری مغناطیسی آن در جهات جانبی صفر است. چنان ساختاری میدان مغناطیسی که از یک سطح وارد شده و از سمت دیگر خارج می‌شود را تمام و کمال انتقال می‌دهد٬ بدون آنکه میدان‌های خارج بُره را به هم بریزد. ساخت چنان بُره‌ا‌ی به اندازه‌ی کافی بزرگ با چنان مقادیر بی‌نهایتِ پذیرفتاری غیرعملی خواهد بود. اما این محققان از یک نقشه‌برداریِ ریاضی استفاده کرده‌اند تا نشان دهند یک ساختار بسیار متفاوت (یک هندسه‌ی استوانه‌ای چندلایه‌ای محدود) چگونه زمینه‌ی انتقال میدان مغناطیسی ایستا را به شکل معادل فراهم می‌کند.

شلنگ‌های مغناطیسی می‌توانند تعدادی کاربرد جالب نیز داشته باشند. در حال حاضر «شلنگ‌های شار» فرومغناطیس با پذیرفتاری بالا در میکروسکوپ‌های روبشی قطعات تداخل کوانتومی ابررسانا (SQUID) برای بهبود وضوح تصاویر میدان مغناطیسی استفاده می‌شوند. این ایده‌ی جدید از شلنگ مغناطیسی می‌تواند نسبت سیگنال-نوفه‌ی تصاویر را افزایش دهد. کاربرد دیگر٬ تصویربرداری تشدید مغناطیسی خواهد بود که در آن بیمار و آهنربای ابررسانا (که برای تولید میدان مغناطیسی نیاز است) می‌توانند به لحاظ فیزیکی از هم جدا باشند و میدان مغناطیسی شدید به شکل موضعی در طریق یک شلنگ مغناطیسی به بیمار اعمال شود. (آن‌چه طول این شلنگ را محدود می‌کند نیاز به خنک کردن پوسته‌های ابررسانا تا دماهای برودتی است). می‌توان مدارهای ایجادکننده‌ی شار مغناطیسی را نیز برای کاربردهای مختلف تصور کرد. به عنوان مثال با کاهش تدریجیِ مقیاس هندسی این شلنگ٬ می‌توان گسترش فضایی میدان را کاهش داد تا تشکیل بیت در ابعاد نانو برای رسانه‌های مغناطیسی فراهم شود. از ترکیب شلنگ‌های مغناطیسی نیز می‌توان برای به هم‌گره زدن شکل فضایی میدان‌های مغناطیسی (برای مثال٬ هرچه بیشتر یکنواخت کردن این میدان‌ها یا ایجاد گرادیان‌های بزرگ‌تر) استفاده کرد. نهایتاً این شلنگ‌هارا  می‌توان برای پردازش اطلاعات کوانتومی بکار برد که در آن دستکاری‌های بسیار دقیق در سیستم‌های کوانتومی نیاز است.

درباره‌ی نویسنده:

استیون انلج (Steven Anlage) استاد فیزیک و عضو مرکز نانوفیزیک و مواد پیشرفته‌ی دانشگاه مریلند در کالج‌پارک است. وی فعالیت‌های پژوهشی آزمایشگاهی در شبه‌مواد ابررسانا٬ آشوب کوانتومی و انواع مختلفی از میکروسکوپ‌های میدان-نزدیک با وضوح بالا را هدایت می‌کند. تمرکز پژوهشی وی بر فیزیک پایه‌ی مواد ابررسانا (هم طبیعی و هم مصنوعی) است و سوالات اساسی در مورد انتشار امواج در سیستم‌های پراکندگی پیچیده را مورد بررسی قرار می‌دهد. وی در توسعه‌ی کاربردهای ناوردایی معکوس زمانی و تقابل فضایی برای انتشار موج الکترومغناطیسی (همچون انتقال توان بی‌سیم و ارتباطات) نیز فعال است. او مدرک پی‌اچ‌دی خود را از کلتک اخذ کرده و پسادکترای خود را در دانشگاه استانفورد گذرانده است. وی اخیراً به سمت استاد مدعو در مرکز نانوساختارهای کاربردی در موسسه‌ی فناوری کارلسروهه آلمان منصوب شده است. برای اطلاعات بیشتر رجوع کنید به: http://anlage.umd.edu 

مراجع:

1.       C. Navau, J. Prat-Camps, O. Romero-Isart, J. I. Cirac, and A. Sanchez, “Long-Distance Transfer and Routing of Static Magnetic Fields,” Phys. Rev. Lett. 112, 253901 (2014).

2.       U. Leonhardt, “Optical Conformal Mapping,” Science 312, 1777 (2006).

3.       J. B. Pendry, D. Schurig, and D. R. Smith, “Controlling Electromagnetic Fields,” Science 312, 1780 (2006).

4.       D. Schurig, J. J. Mock, B. J. Justice, S. A. Cummer, J. B. Pendry, A. F. Starr, and D. R. Smith, “Metamaterial Electromagnetic Cloak at Microwave Frequencies,” Science 314, 977 (2006).

5.       B. Wood and J. B. Pendry, “Metamaterials at Zero Frequency,” J. Phys. Condens. Matter 19, 076208 (2007).

6.       F. Magnus, B. Wood, J. Moore, K. Morrison, G. Perkins, J. Fyson, M. C. K. Wiltshire, D. Caplin, L. F. Cohen, and J. B. Pendry, “A d.c. Magnetic Metamaterial,” Nature Mater. 7, 295 (2008).

7.       S. M. Anlage, “The Physics and Applications of Superconducting Metamaterials,” J. Opt. 13, 024001 (2011); P. Jung, A. V. Ustinov, and S. M. Anlage, “Progress in Superconducting Metamaterials,” Supercond. Sci. Technol. 27, 073001 (2014).

8.       A. Sanchez, C. Navau, J. Prat-Camps, and D. X. Chen, “Antimagnets: Controlling Magnetic Fields with Superconductor-Metamaterial Hybrids,” New J. Phys. 13, 093034 (2011).

9.       S. Narayana and Y. Sato, “DC Magnetic Cloak,” Adv. Mater. 24, 71 (2012).

10.    F. Gömöry, M. Solovyov, J. Šouc, C. Navau, J. Prat-Camps, and A. Sanchez, “Experimental Realization of a Magnetic Cloak,” Science 335, 1466 (2012).

منبع:

Magnetic Hose Keeps Fields from Spreading