Elektromagnetisme is een tak van de natuurkunde die zich bezighoudt met alle verschijnselen van elektriciteit en magnetisme. Dit veld is het belangrijkste fundament van onze moderne tijd van elektriciteit en informatietechnologie. Het wordt beheerst door een reeks fundamentele principes gecodeerd in vier vergelijkingen genaamd Maxwell-vergelijkingen, die al ongeveer 150 jaar bekend zijn. Elke keer dat we gebruik maken van fundamentele effecten zoals voorgeschreven of voorspeld door deze theorie, we plukken enorme voordelen in termen van technologische vooruitgang. Dingen zoals elektrische machines, motoren, diverse elektronische apparaten, circuits, computers, Scherm, sensoren en draadloze communicatie werken allemaal op basis van de basisprincipes van elektromagnetisme. Dit onderwerp wordt eigenlijk beschouwd als "klassieke natuurkunde, " wat lijkt te suggereren dat we alles hebben geweten wat we erover moeten weten.

Echter, ons IBM Research-team ontdekte onlangs een subtiel verborgen kenmerk in elektromagnetisme - een voorheen onbekend veldopsluitingseffect dat we het 'camelback-effect' hebben genoemd in een systeem van twee lijnen van transversale dipolen.

Bij elektromagnetisme, de elementaire bron van elektrisch veld en magnetisch veld kan respectievelijk worden gemodelleerd als een puntlading - een hypothetische lading die zich op een enkel punt in de ruimte bevindt - en een dipool, een paar gelijke en tegengesteld geladen of gemagnetiseerde polen gescheiden door een afstand. Stel je voor dat we twee rijen magnetische dipolen op een rij zetten zoals weergegeven in figuur (a), en we proberen de sterkte van het magnetische veld langs de middenas te meten. Het magnetische veld is zeker sterker in het centrum en neemt verder af. Echter, als de lengte van de dipoollijn een bepaalde kritische lengte overschrijdt, er treedt een verrassend effect op:het veld wordt iets sterker aan de randen en produceert een veldopsluitingsprofiel dat eruitziet als de rug van een kameel - vandaar de naam van het effect. Het IBM-team heeft deze ontdekking gerapporteerd met gedetailleerde experimentele en theoretische studies in twee recente publicaties en patenten.

Deze verrassende ontdekking is om een ​​paar redenen opwindend. Eerst, het vertegenwoordigt een nieuw elementair eendimensionaal opsluitingspotentieel in de natuurkunde, toetreden tot de lijst van bekende potentiëlen zoals Coulomb, parabolisch, en goed vierkant. Tweede, dit effect wordt het belangrijkste kenmerk waardoor dit systeem kan dienen als een nieuwe klasse van natuurlijke magnetische val, de parallelle dipoollijn (PDL) val genoemd, zoals weergegeven in figuur (b) met veel mogelijke opwindende toepassingen. Dit camelback-effect en de bijbehorende magnetische PDL-val kunnen worden gerealiseerd met behulp van speciale cilindrische magneten waarvan de polen zich aan de gebogen kant bevinden, zoals weergegeven in Fig. (b) en een grafietstaaf als het ingesloten object.

Deze natuurlijke magnetische val demonstreert ook een "deeltjes-in-eendimensionaal potentiaal"-systeem, dus dienend als een nieuw platform voor pedagogische fysica-experimenten. Om deze reden, na een strenge selectieprocedure, de IBM-ontdekking werd onlangs genoemd als een experimenteel probleem tijdens de International Physics Olympiad (IPhO) die onlangs in Yogyakarta werd gehouden, Indonesië in juli. IPhO is een vooraanstaande internationale natuurkundewedstrijd op pre-universitair niveau die loopt sinds 1967 (voor het eerst gehouden in Warschau, Polen). Elk deelnemend land stuurt zijn vijf beste natuurkundestudenten om te strijden bij het oplossen van drie theoretische en twee experimentele problemen. De gepresenteerde problemen zijn doorgaans zeer uitdagend en origineel en, belangrijker, ze moeten fundamentele ideeën of concepten in de natuurkunde presenteren.

In de IPHO van dit jaar ongeveer 396 studenten uit 86 landen - een van de grootste IPHO ooit - voerden experimenten uit met behulp van de IBM PDL magnetische val om de magnetische eigenschappen van het ingesloten grafiet en de luchtviscositeit te bepalen. De studenten onderzochten ook de toepassingen ervan als sensor voor aardbevingen en vulkanische hellingsmeters. Dit is eigenlijk een doorlopend project tussen IBM Research en het Italiaanse Instituut voor Geofysica en Vulkanologie (INGV). De algemene expositie werd door de internationale teamleiders gewaardeerd om zijn roman, fascinerende en rijke fysica-inhoud evenals zijn nobele toepassingen.

Dit onderzoek naar de magnetische val van IBM is nu opgenomen als nieuw lesmateriaal in de cursus Elektrodynamica aan de Princeton University. Het heeft ook praktische technologie voortgebracht als een nieuw hooggevoelig hulpmiddel voor het karakteriseren van halfgeleiders, genaamd "Rotating PDL Hall-systeem", dat veel groepen in IBM Research heeft gediend die met halfgeleiders werken. Het heeft ook gewerkt in het laboratorium van het Harvard Center of Nanoscale System.

Even terzijde, de internationale impact van dit werk voor natuurkundepedagogiek is nogal onverwacht, aangezien het onderzoek oorspronkelijk bedoeld was voor de ontwikkeling van halfgeleidertechnologie. Het IBM-team onderzocht manieren om kleine cilindrische objecten zoals nanodraden te vangen voor transistors van de volgende generatie. Hoe dan ook, de goedkeuring van ons onderzoekswerk in een vooraanstaand internationaal evenement, zoals IPhO, is een voorbeeld van onze missie in IBM Research "beroemd te zijn voor onze wetenschap en van vitaal belang voor de wereld."