اكتشف الفيزيائيون كيفية التحكم في تدفقات الدوران لاسلكيًا

في عام 1821، اكتشف توماس سيبيك أنه إذا قمت بتوصيل معدنين مختلفين وقمت بتسخين المفصل، يظهر جهد كهربائي في دائرة مغلقة. هكذا ولدت الكهرباء الحرارية – وهو مجال من الفيزياء يدرس التحويل المباشر للاختلافات في درجات الحرارة إلى تيار كهربائي والعكس. شكل تأثير سيبيك، الذي أعقبه بلتيير وطومسون، الأساس للعديد من الأجهزة – من المزدوجات الحرارية التي تقيس درجة الحرارة إلى الثلاجات ذات الحالة الصلبة دون جزء متحرك واحد – ولم يتوقف البحث عن مواد ذات كفاءة متزايدة لهذه الأجهزة لأكثر من قرن من الزمان. في القرن الحالي، هناك قريب قريب للكهرباء الحرارية: إلكترونيات السعرات الحرارية. وتتمثل فكرتها في ربط تدفق الحرارة ليس بالشحن، بل بالدوران، أي الزخم الزاوي للجسيمات، وهو نفس “الدوران الداخلي” الذي يجعل الإلكترون مغناطيسًا صغيرًا. اتضح أن الاختلاف في درجة الحرارة قادر على دفع تيار دوراني نقي عبر المادة – وهو تدفق موجه للحظة مغناطيسية، غير مصحوب بنقل الشحنة. في عام 2008، تمت ملاحظة تأثير دوران سيبيك لأول مرة في الأغشية الرقيقة من السبائك الدائمة، وبعد ذلك تم اكتشاف تأثير دوران نيرنست، حيث يتدفق تيار الدوران عبر التدرج الحراري. ومع ذلك، فإن المنصات الإلكترونية لها قيود مزعجة: فهي تسخن بسبب فقدان الجول، وغالبًا ما تتطلب درجات حرارة مبردة، وتدور بشكل محكم للشحن، مما يجعل من الصعب التحكم في تحويل الحرارة إلى دوران في شكله النقي. كل هذا دفع الباحثين لفترة طويلة إلى البحث عن أنظمة يمكن أن تحدث فيها تأثيرات مماثلة دون تسخين بسبب تدفق التيار. أصبحت بولاريتونات الإكسيتون مثل هذا النظام. تولد أشباه الجسيمات غير العادية هذه عندما يُحتجز الضوء بين مرآتين من تجويف صغير ويُجبر على “التواصل” بقوة خاصة مع المادة – مع الإكسيتونات، وأزواج الإلكترون، والفجوة التي يتركها خلفه في الآبار الكمومية لأشباه الموصلات. مع اتصال قوي، يتوقف الفوتون والإكسيتون عن الوجود بشكل منفصل ويندمجان في كل واحد: يتم الحصول على شبه جسيم له خصائص كل من الضوء والمادة. من نصفه الخفيف، يرث البولاريتون الخفة والتنقل – فهو قادر على الطيران باليستيًا، أي بدون اصطدامات تقريبًا، مئات الميكرومترات حتى في درجات الحرارة المنخفضة. ويأخذ من الإلكترون القدرة على التفاعل مع البيئة واستشعار المجال المغناطيسي. يتم لعب دور دوران البولاريتون عن طريق استقطاب الضوء. يمكن تمثيل أي من حالاته كخليط من حالتين أساسيتين – ضوء ملتوي في دائرة إلى اليسار وإلى اليمين، أي استقطابين دائريين. يصف الفيزيائيون هذا الخليط بمتجه يسمى اللف الكاذب: مثل إبرة البوصلة، يمكن أن يشير إلى أي اتجاه ويشير إلى الاستقطاب المسيطر. يتم التحكم في سلوك اللف الكاذب بواسطة مجال مغناطيسي فعال، والذي يعتمد على حجم واتجاه سرعة البولاريتون. يتكون من جزأين. الأول يتعلق بالتفاعل الداخلي بين المدار: تنتشر موجات الاستقطاب المختلفة (ما يسمى بنمطي TE وTM للتجويف) بشكل مختلف قليلًا، وهذا الانقسام TE-TM يخلق مجالًا، يعتمد اتجاهه على المكان الذي يطير فيه البولاريتون. الجزء الثاني هو انقسام زيمان، والذي يحدث في مجال مغناطيسي خارجي ويفصل بين استقطابين دائريين في الطاقة؛ يبدو هذا الحقل “من مستوى” الرنان، ويمكن ضبط قوته بسلاسة من خلال حجم المجال المغناطيسي. تلعب درجة الحرارة دورًا خاصًا في هذه الصورة. لا يكون غاز البولاريتون أبدًا في حالة توازن حراري صارم، لذلك يتم إدخال درجة حرارة فعالة له – وهو مقياس لمتوسط ​​\u200b\u200bالطاقة الحركية للجزيئات. إنه لأمر رائع أن يتم إنشاء درجة الحرارة هذه وتغييرها بالضوء. عندما يتم ضخه بشكل غير رنيني، ينتج الليزر أولاً خزانًا ساخنًا من الإكسيتونات، التي تعمل على تسخين الشبكة البلورية وتحويل طاقة التلألؤ؛ تصل التدفئة المحلية إلى عدة درجات كلفن. من خلال اختيار الطول الموجي للمضخة أو استخدام سخانات كهربائية مصغرة تقيس حجم الميكرومترات، من الممكن رسم مشهد كامل لدرجة الحرارة على العينة، على سبيل المثال نتوء ساخن في المركز، يبرد تدريجيًا نحو الحواف، والحفاظ على هذا الاختلاف على مسافات تصل إلى مئات الميكرومترات. في المناطق الساخنة، يصبح توزيع البولاريتونات على العزم أوسع، وفي المناطق الباردة يصبح أضيق. حتى الآن، تمت دراسة ظواهر الدوران في غاز البولاريتون “العادي” غير المتماسك بشكل أقل بكثير من نظيراتها في مكثفات البولاريتون المتماسكة. والأهم من ذلك، لم تصف أي تجربة أو نظرية تأثيرات الدوران-السعرات الحرارية في مثل هذا الغاز. قام سيدوف وكافوكين بملء هذه الفجوة من خلال بناء نظرية حركية متماسكة حول كيفية توليد التدرجات الحرارية لتدفقات الجسيمات والدوران الكاذب، ومن خلال اقتراح تجارب واقعية لمراقبتها. ونشرت النتائج في مجلة npj Nanophotonics. اعتمد النموذج على تجويف صغير مسطح من أشباه الموصلات مع آبار كمومية تحت ضخ بصري مستمر غير رنين. في هذا الوضع، يحتوي على غاز من البولاريتونات غير المتماسكة، والتي تطير بشكل باليستي على طول مستوى الرنان، تقريبًا دون الاصطدام ببعضها البعض. يتم التحكم في حركة كل جسيم من خلال نفس المجال الفعال – حيث يتم تركيب مجموع مساهمات TE-TM وZeeman، بالإضافة إلى ملف تعريف سلس لدرجة الحرارة بحد أقصى في المركز فوق كل شيء. تتبع المؤلفون كيف تتطاير البولاريتونات المتولدة عند كل نقطة على طول زخمها و”تنطفئ” تدريجيًا خلال حياتها الضوئية القصيرة. بيان المشكلة: يتم تطبيق ملف تعريف درجة الحرارة المتناقص شعاعيًا T(r) على التجويف الصغير، ويتم تطبيق مجال مغناطيسي موحد B بشكل عمودي على مستواه. يظهر أيضًا رسم تخطيطي لضخ وتشتيت غير رنين ثنائي اللون لفرعي بولاريتون / © npj Nanophotonics. إذا تم إيقاف كلا الانقسامين، يبقى تأثير Seebeck البصري النقي. يعمل التدرج الحراري على توسيع توزيع زخم البولاريتونات في المركز الساخن، مما يخلق هناك فائضًا من الجسيمات السريعة التي تتمكن من الطيران لمسافة أبعد من نظيراتها البطيئة في المحيط البارد. ينشأ تدفق شعاعي موجه للجزيئات – من الساخن إلى البارد. بمجرد تشغيل مجال مغناطيسي خارجي، يظهر تأثير Seebeck الدوراني البصري. يفصل انقسام زيمان بين استقطابين دائريين في الطاقة، ويبدأ التدرج الحراري في دفع تيار دوراني، وهو تدفق الاستقطاب الدائري. إذا لم يتبق سوى انقسام TE-TM بدلًا من المجال المغناطيسي، فسيولد تأثير نيرنست المغزلي البصري، وهو قريب حراريًا لتأثير هول المغزلي الشهير. ينحرف تيار الدوران بعيدًا عن التدرج الحراري ولم يعد يتدفق على طوله، ولكن في السمت – عبر اختلاف درجات الحرارة. تأثير الدوران البصري نيرنست. اتجاه المجال الفعال لتقسيم TE-TM وحده، والقطع الناقص الاستقطابي وخرائط الاستقطابات الخطية sX(r) والقطرية sY(r) مع المجالات المتراكبة للتيارات الكاذبة JX(r) وJY(r) – بنية مميزة مكونة من أربعة فصوص / © npj Nanophotonics. الشيء الأكثر إثارة للاهتمام يبدأ عندما تعمل كلتا الآليتين معًا. يخلق المجال المغناطيسي الخارجي تيارًا مغزليًا شعاعيًا، لكن المجال TE-TM الموجود في المستوى، على الرغم من أنه في حد ذاته لا يفصل الاستقطابات الدائرية، إلا أنه يعيد تشكيل هذا التدفق الشعاعي بشكل غير محسوس. ينشأ ما يسميه المؤلفون بتأثير نيرنست المغزلي البصري الطولي. بمعنى آخر، لا يمكن للمجال “الزاوي” البحت أن يضعف فحسب، بل يمكنه أيضًا عكس تيار الدوران الناتج عن المجال المغناطيسي تمامًا. تأثير الدوران البصري الطولي نيرنست. مجال فعال في ظل العمل المشترك لتقسيمات TE-TM وZeeman؛ اعتماد المكون الشعاعي لتيار اللف الكاذب على قوة تقسيم TE-TM وخريطة sZ(r) مع المجال الحالي JZ(r) / © npj Nanophotonics (Sedov & Kavokin, 2026) يفغيني سيدوف، باحث رائد في المركز الدولي للفيزياء النظرية. أوضح A. A. Abrikosov MIPT: “الفكرة الرئيسية لنظريتنا بسيطة: يتم تحديد اتجاه أي تدفق مغزلي بالكامل من خلال هندسة المجال المداري المغزلي الفعال، ودرجة الحرارة وتوزيع الجسيمات على العزم تحدد حجمها فقط. وبمجرد تثبيت تماثل هذا المجال، فإنه يخبرك بنفسه أين وكيف سيتدفق المغزل. لذلك، أربعة تأثيرات تبدو مختلفة تمامًا، يتبين أنها فروع لنفس الشجرة.” أليكسي كافوكين، مدير المركز الدولي للفيزياء النظرية الذي سمي بهذا الاسم. أضافت A. A. Abrikosova MIPT: “لقد اعتدنا على حقيقة أن تحويل الحرارة إلى إشارة مفيدة يتم بواسطة الإلكترونيات بكل عيوبها: التسخين، والحاجة إلى التبريد، والاتصال الصارم بين الدوران والشحن. وتتيح Polaritons فعل الشيء نفسه مع الضوء، بدون أسلاك وبدون نقل الشحنة.” القيمة العملية للنتيجة هي أنها تحدد المسار للتحكم في الدوران والاستقطاب دون اتصالات كهربائية ودون نقل الشحنة، وبالتالي دون تسخين مصاحب. يضع هذا العمل الأساس لاتجاه كامل، وهو دوران السعرات الحرارية في أنظمة هجينة من الضوء والمادة.