En ny effekt inden for elektromagnetisme opdaget - 150 år senere

Elektromagnetisme er en gren af ​​fysikken, der beskæftiger sig med alle fænomener elektricitet og magnetisme. Dette felt er nøglefundamentet i vores moderne tidsalder for elektricitet og informationsteknologi. Det styres af et sæt grundlæggende principper kodet i fire ligninger kaldet Maxwell -ligninger, som har været kendt i cirka 150 år. Hver gang vi udnytter fundamentale effekter som foreskrevet eller forudsagt af denne teori, vi høster enorme fordele med hensyn til teknologiske fremskridt. Ting som elektriske maskiner, motorer, forskellige elektroniske enheder, kredsløb, computere, Skærm, sensorer og trådløs kommunikation fungerer alle baseret på de grundlæggende principper for elektromagnetisme. Dette emne betragtes faktisk som "klassisk fysik, "hvilket synes at tyde på, at vi har vidst alt, hvad vi har brug for at vide om det.

Imidlertid, vores IBM Research -team opdagede for nylig en subtil skjult funktion inden for elektromagnetisme - en tidligere ukendt feltindeslutningseffekt, som vi har kaldt "camelback -effekten" i et system med to linjer af tværgående dipoler.

I elektromagnetisme, den elementære kilde til elektrisk felt og magnetisk felt kan henholdsvis modelleres som en punktladning - en hypotetisk ladning placeret på et enkelt sted i rummet - og en dipol, et par lige og modsat ladede eller magnetiserede poler adskilt af en afstand. Forestil dig, at vi stiller to rækker magnetiske dipoler op som vist i figur (a), og vi forsøger at måle magnetfeltets styrke langs midteraksen. Magnetfeltet er bestemt stærkere i midten og falder væk fra det. Imidlertid, hvis længden af ​​dipollinjen overstiger en bestemt kritisk længde, der sker en overraskende effekt:feltet bliver lidt stærkere nær kanterne og producerer en feltindeslutningsprofil, der ligner en kamelryg - deraf navnet på effekten. IBM -teamet har rapporteret denne opdagelse med detaljerede eksperimentelle og teoretiske undersøgelser i to nylige publikationer og patenter.

Denne overraskende opdagelse er spændende af et par grunde. Først, det repræsenterer et nyt elementært endimensionalt indespærringspotentiale i fysik, slutte sig til listen over velkendte potentialer som Coulomb, parabolsk, og firkantet godt. Sekund, denne effekt bliver nøglefunktionen, der gør dette system i stand til at fungere som en ny klasse af naturlig magnetisk fælde kaldet parallel dipol line (PDL) fælde som vist i figur (b) med mange mulige spændende anvendelser. Denne camelback -effekt og den tilhørende PDL -magnetfælde kan realiseres ved hjælp af specielle cylindriske magneter, hvis poler er på den buede side som vist i figur (b) og en grafitstang som det fangede objekt.

Denne naturlige magnetiske fælde demonstrerer også "partikel-i-en-dimensionel potentiale" system, fungerer således som en ny platform for pædagogiske fysikeksperimenter. Af denne grund, efter en streng udvælgelsesproces, IBM -opdagelsen blev for nylig omtalt som et eksperimentelt problem i International Physics Olympiad (IPhO), der for nylig blev afholdt i Yogyakarta, Indonesien i juli. IPhO er en førende international fysikkonkurrence på førhøjskoleniveau, der har kørt siden 1967 (først afholdt i Warszawa, Polen). Hvert deltagende land sender deres fem bedste fysikstuderende til at konkurrere om at løse tre teoretiske og to eksperimentelle problemer. De præsenterede problemer er typisk meget udfordrende og originale og, vigtigere, de skal præsentere grundlæggende ideer eller begreber i fysik.

I dette års IPhO, omkring 396 studerende fra 86 lande - en af ​​de største IPhO nogensinde - udførte eksperimenter ved hjælp af magnetiske fælder IBM PDL for at bestemme den fangede grafits magnetiske egenskab og luftviskositeten. Eleverne undersøgte også dets anvendelser som jordskælv og vulkansk tiltmeter sensor. Dette er faktisk et igangværende projekt mellem IBM Research og Italian Institute of Geophysics and Volcanology (INGV). Den samlede udstilling blev værdsat af de internationale teamledere for sin roman, fascinerende og rigt fysikindhold samt dets ædle applikationer.

Denne IBM magnetfældeforskning er nu inkluderet som et nyt foredragsnotatmateriale i Electrodynamics -kursus på Princeton University. Det har også produceret praktisk teknologi som et nyt højfølsomt halvlederkarakteriseringsværktøj kaldet "Rotating PDL Hall system", der har tjent mange grupper i IBM Research, der arbejder med halvledere. Det har også været i drift ved Harvard Center for Nanoscale System -laboratoriet.

På en sidebemærkning, den internationale virkning af dette arbejde for fysikpædagogik er temmelig uventet, da forskningen oprindeligt var tiltænkt udvikling af halvlederteknologi. IBM -teamet undersøgte måder at fange små cylindriske objekter som nanotråde til næste generations transistorer. Alligevel, vedtagelsen af ​​vores forskningsarbejde i en førende international begivenhed, såsom IPhO, eksemplificerer vores mission i IBM Research "at være berømt for vores videnskab og vital for verden."