ستتميز الجسيمات الاصطناعية، والسوائل الفائقة والصلبة الفائقة، بتدفق الإلكترونات بدون احتكاك، عند درجات حرارة عالية نسبيًا
مما تتكون الذرات؟ بالطبع من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات - أليس كذلك؟ حسنًا، ليس بالضرورة: هذه هي مكونات الذرات الطبيعية، ولكن هناك أيضًا ذرات اصطناعية مكونة من إلكترونات فقط، ذات خصائص غريبة ومثيرة للدهشة.
ما هو السؤال كيف يمكن خلق ذرات صناعية مكونة من إلكترونات فقط؟
كان مجال المواد الكمومية في طليعة الفيزياء في السنوات الأخيرة. "المواد الكمومية" هي مواد يتم فيها التعبير عن الخصائص المدهشة للجسيمات الكمومية، والتي غالبًا ما يتم الكشف عنها على مستوى الجسيم الفردي، كسلوك جماعي للعديد من الجسيمات معًا. ومن الأمثلة المعروفة على هذا السلوك الموصلية الفائقة، أي المقاومة الكهربائية الصفرية، والتي تتميز بها مواد معينة عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق. مثال آخر هو الميوعة الفائقة: هناك مواد عندما تبرد كثيراً تصبح سوائل فائقة، أي أنها تتدفق دون لزوجة ودون احتكاك. إذا مزجنا كوبًا من الهيليوم فائق السيولة بملعقة، فسوف يستمر في الدوران إلى الأبد، على عكس القهوة التي نعرفها من الحياة اليومية. تتمتع الموصلية الفائقة والسيولة الفائقة بإمكانات هندسية هائلة، ولكن الحاجة إلى تبريد المواد إلى الصفر المطلق تقريبًا هي بطبيعة الحال قيد كبير
تتمتع الموصلية الفائقة والميوعة الفائقة بإمكانات هندسية هائلة، لكن الحاجة إلى تبريد المواد إلى درجة الصفر المطلق تقريبًا تمثل عائقًا كبيرًا بالطبع.
ويهدف البروفيسور رونين رابابورت من الجامعة العبرية في القدس إلى تحقيق هذه الخصائص في درجات حرارة أعلى، وإذا لم توفر الجسيمات الطبيعية البضائع - فربما توفرها الجسيمات الاصطناعية.
ولذلك يقوم البروفيسور رابابورت ومجموعته ببناء جزيئات اصطناعية، أو شبه جزيئات. أولاً، يتم بناء طبقة بسمك ذرة واحدة من مواد طبيعية - مثل سبائك المواد شبه الموصلة مثل زرنيخيد الغاليوم، أو المواد شبه الموصلة الشبيهة بالجرافين (الجرافين هو طبقة واحدة من الجرافيت التي نعرفها من أقلام الرصاص). . هذه الطبقة عبارة عن بلورة ذات بنية ثابتة ومتكررة، ولها العديد من الإلكترونات التي تنشأ من ذرات البلورة. لا ترتبط هذه الإلكترونات بذرة محددة، ولكنها تشكل نوعًا من "تجمع الإلكترونات".
إذا أضفنا ما يكفي من الطاقة إلى النظام، فإن إلكترونًا واحدًا سيرتفع إلى مستوى طاقة أعلى وبالتالي يتم إنشاء "مجمعين": يحتوي المستوى الأعلى على إلكترون واحد، بينما يحتوي المستوى السفلي على "ثقب"، أي نقص الإلكترون. وبما أن الإلكترون له شحنة سالبة، فإن "الثقب" يعمل كجسيم موجب الشحنة. تنجذب الشحنة الموجبة والشحنة السالبة إلى بعضهما البعض؛ لنتذكر أن أبسط ذرة في الطبيعة، وهي ذرة الهيدروجين، تتكون من نواة بها بروتون ذو شحنة كهربائية موجبة، وإلكترون واحد له شحنة كهربائية سالبة. على غرار البروتون الموجب والإلكترون السالب في ذرة الهيدروجين، ينجذب الإلكترون و"الثقب" في نظامنا إلى بعضهما البعض، مما يخلق نوعًا من الذرة الاصطناعية، أو شبه الذرة. لكن ذرة الهيدروجين يمكن أن توجد إلى الأبد تقريبا، أما شبه الذرة التي أمامنا فهي ظاهرة عابرة: فالإلكترون الموجود في المسبح العالي يحاول العودة إلى مكانه في المسبح المنخفض، وبعد فترة قصيرة جدا يعود الإلكترون إلى مكانه بينما ينبعث الضوء. مثل هذا النظام يسمى الإكسيتون.
وهذه الذرات الاصطناعية كبيرة الحجم وخفيفة جدًا، ولذلك تظهر الظواهر الكمومية الجماعية فيها عند درجة حرارة عالية نسبيًا. ليست هناك حاجة لتبريد المادة إلى درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق - فمن الممكن الاكتفاء ببضع درجات كلفن، وفي المستقبل ربما حتى درجة حرارة الغرفة لبعض المواد.
هل من الممكن إنشاء ثنائي القطب الكهربائي في مثل هذا النظام، وإذا كان الأمر كذلك - ماذا ستكون النتيجة؟ ولتكوين ثنائي القطب الكهربائي، يجب فصل الإلكترون الموجود في مستوى الطاقة المرتفع في الفضاء عن "الثقب" الذي أتى منه، بحيث يكونان في طبقات ذرية متجاورة. يؤدي هذا الانفصال إلى إنشاء طبقة من الإلكترونات وطبقة من "الثقوب". كل زوج من الإلكترونات و"الثقب" هو شبه ذرة تتميز بوجود ثنائي القطب الكهربائي، وجميع ثنائيات الأقطاب في النظام تكون في نفس الاتجاه.
يسمح مثل هذا النظام الاصطناعي للعلماء بطرح أسئلة جديدة حول التفاعلات في الأنظمة الكمومية متعددة الجسيمات. هذا هو المجال الذي يتحدى الفيزيائيين اليوم
"يسمح لنا مثل هذا النظام الاصطناعي بطرح أسئلة جديدة حول التفاعلات في الأنظمة الكمومية متعددة الجسيمات. يقول البروفيسور رابابورت: "هذا هو المجال الذي يتحدى الفيزيائيين اليوم". "نريد اختبار ما إذا كان بإمكاننا تحقيق نوعين نظريين رائعين من المواد: المائع الفائق المستقر والمواد الصلبة الفائقة."
الجانب المظلم من القوة
تمتلك ثنائيات القطب الكهربائية، مثل الإلكترونات المفردة، خاصية مغناطيسية تسمى الدوران (والتي يمكن أن تكون في الاتجاه "لأعلى" أو "لأسفل"). يمكن أن يتلاشى ثنائي القطب الذي يبلغ مجموع دورانه، مع زخمه الزاوي ("الدوران المعمم") 1، ويختفي أثناء انبعاث أو امتصاص الفوتون. ولذلك يطلق عليه "إكسيتون ثنائي القطب المضيء". من ناحية أخرى، فإن ثنائي القطب الذي يبلغ دورانه المعمم 2 لا يمكن أن يضمحل من خلال انبعاث الضوء، لذلك يطلق عليه "إكسيتون ثنائي القطب المظلم".
هذان النوعان من الإكسيتونات قادران على التصرف كمجموعة، حيث من المستحيل التمييز بين الجسيمات الفردية. تتدفق العديد من الإكسيتونات معًا دون احتكاك عند درجة حرارة عالية نسبيًا، وهي ميزة مرغوبة ذات إمكانات هائلة في بناء رقائق الكمبيوتر. والعائق هو استقرارها، أو بالأحرى عدم وجوده: فالإكسيتونات الساطعة تتلاشى وتختفي. على ما يبدو، فإن الإكسيتونات المظلمة ستكون أكثر استقرارًا وستحل المشكلة؛ لكن عندما تصطدم ببعضها البعض، تصبح لامعة وتتلاشى، وبالتالي فإن السائل الأسود الفائق غير مستقر أيضًا.
يقدم بحث البروفيسور رابابورت - الذي حصل على منحة بحثية من مؤسسة العلوم الوطنية - حلاً لهذه العقبة: إذا قمت بإنشاء طبقة واحدة من ثنائيات القطب، كلها في نفس الاتجاه، فإن الجزيئات تتنافر ولا يمكن أن تقترب وتتصادم. باستخدام مثل هذا النظام من الجسيمات المظلمة، ربما يكون من الممكن تحقيق سائل فائق مستقر.
تدفق العيوب
الهدف الثاني، كما تتذكر، هو "الصلبة الفائقة"، أي البلورة التي تتدفق مثل السائل الفائق. إذا أمكن، وبالقياس على بلورة ذرية، قم بإنتاج بلورة مرتبة من ثنائيات القطب؛ وإذا كان هيكل مثل هذه البلورة يفتقر إلى "ذرة ثنائية القطب" عند نقطة واحدة في المليون، و"تقفز" ذرة مجاورة لملئها، وتقفز ذرة أخرى لملء الموضع الشاغر - عندئذ يكون هناك تدفق من "الثقوب" تم إنشاؤها. تتكون البلورة العادية من ذرات ثقيلة ومقيدة في مكانها، لذلك لا يحدث مثل هذا التدفق. ومن ناحية أخرى، فإن أشباه الذرات عديمة الوزن تقريبًا، وبالتالي يمكنها التدفق. إذا كان النظام بأكمله باردًا بدرجة كافية، فمن المتوقع أن يصبح سائلًا فائقًا - وبالتالي لن يتوقف التدفق أبدًا. إذا كان النظام بأكمله باردًا بدرجة كافية، فمن المتوقع أن يصبح سائلًا فائقًا - وبالتالي لن يتوقف التدفق أبدًا.
يقول البروفيسور رابابورت: "إنها أنظمة رائعة". "بالإضافة إلى خصائصها المدهشة، التي توسع حدود ما نعرفه عن المادة، فإنها تتمتع أيضًا بإمكانات عملية هائلة."
الحياة نفسها:
البروفيسور رونين رابابورت منخرط في تسلق الصخور، ويستمتع بتسلق الجبال حول العالم.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
תגובה אחת
مقالة عظيمة