ويتوقع الباحثون وجود مادة "فائقة الصلابة" تحتوي على الهيدروجين الثقيل
كيف يمكن أن تكون المادة صلبة ومتدفقة بدون احتكاك؟ باستثناء حالات التجميع المألوفة لدى معظمنا، الصلبة والسائلة والغازية، هناك أيضًا حالات تجميع غريبة ورائعة بشكل خاص والتي لا توجد إلا بسبب الخصائص المعدلة للجسيمات الكمومية. المواد الصلبة الفائقة هي مثل هذه المواد، ولها خاصيتين تبدوان متناقضتين تمامًا: هيكل ذو ترتيب منظم وثابت، وتدفق المادة دون احتكاك. تقدم دراسة جديدة بمشاركة باحث من جامعة تل أبيب تنبؤًا نظريًا بأن الديوتيريوم، وهو نظير للهيدروجين وهو أحد مكونات الماء الثقيل، يمكن أن يكتسب هذه الخاصية عند ضغوط عالية للغاية ودرجات حرارة منخفضة.
الخاصية التي تجعل المادة "فائقة السيولة"
ومن نتائج البحث يبدو أن الديوتيريوم، الذي يظهر كغاز في ظروف الغرفة، قادر على تغيير حالة التجميع إلى حالة "فائقة الصلابة" عندما يكون عند ضغط 8 ملايين ضغط جوي وقريب من الصفر المطلق درجة حرارة. تم إجراء البحث بالتعاون بين الدكتور تشانغ وو ميونغ من جامعة كامبريدج والبروفيسور ميشيلا برينليلو من المعهد الإيطالي للتكنولوجيا في جنوة والدكتور باراك هيرشبيرج من مدرسة الكيمياء في كلية العلوم الدقيقة بقلم ريموند وبيرلي ساكلر. ونشرت الدراسة في مجلة مرموقة استعراض للحروف البدنية.
تم التنبؤ بوجود المواد الصلبة الفائقة أكثر من50 سنوات على المستوى النظري وأشعلت جدلا حادا بين الفيزيائيين. ومع ذلك، منذ حوالي خمس سنوات، تم إثبات وجودها بشكل لا لبس فيه في التجارب على الذرات المحاصرة الباردة. ويقول الباحثون إن فهم الآليات الكامنة وراء العملية واكتشاف المواد الصلبة الفائقة الجديدة هو موضوع بحثي اكتسب الكثير من الزخم في السنوات الأخيرة، بل وأكثر من ذلك منذ الملاحظة التجريبية.
"لكي تتدفق المادة دون احتكاك، وهو ما يعرف بالتدفق الفائق، يجب أن تتداخل الوظائف الموجية للذرات التي تتكون منها بحيث لا يعد من الممكن التمييز بينها. وإذا كان الأمر كذلك، فإن السؤال الذي يطرح نفسه - كيف يمكن لهم الحفاظ على النظام المكاني الذي يميز المواد الصلبة؟" يشرح الدكتور هيرشبيرج.
"السبب هو: في البحث اكتشفنا أن الضغط العالي يجبر ذرات الديوتيريوم على الاقتراب وتصبح مادة صلبة لها خصائص المعدن. في المعدن، وهو مرادف للمادة الموصلة، تتنافر إلكترونات ذرات الديوتيريوم مع بعضها البعض بشكل أقل قليلاً مما هو الحال في المادة العازلة، مما يسمح للذرات بالاقتراب أكثر. تعمل هاتان الخاصيتان معًا على تشجيع تكوين التدفق الفائق. بالإضافة إلى ذلك، أظهرنا في عمليات المحاكاة الحاسوبية أن الديوتيريوم يصبح سائلًا فائقًا، ولكنه يحتفظ أيضًا ببنيته البلورية في نفس الوقت، وهذه هي الطريقة التي يتم بها الحصول على حالة التجميع المعروفة باسم الحالة الصلبة الفائقة. ويضيف الدكتور هيرشبيرج: "لم يتم نشر سوى عدد قليل جدًا من التنبؤات حول وجود المواد فائقة الصلابة حتى الآن، وخاصة في المواد الواقعية والمعروفة مثل الديوتيريوم".
التعلم الآلي يصنع صداقات مع الكيمياء
أصبحت عمليات المحاكاة الحسابية التي أجراها الباحثون ممكنة بفضل خوارزمية جديدة لوصف الأنظمة الكمومية الخاصة التي طورها الدكتور هيرشبيرج، أثناء إقامته كطالب ما بعد الدكتوراه في المعهد الفيدرالي للتكنولوجيا في زيوريخ (ETH زيورخ). بفضل هذه الخوارزمية، المستندة إلى نظرية طورها الفيزيائي ريتشارد فاينمان، تمكن الدكتور هيرشبيرج من تقليل إجمالي عدد الحسابات المطلوبة لمحاكاة النظام بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك، لوصف نطاق الضغوط ودرجات الحرارة الشديدة، استخدم الباحثون أدوات من مجال التعلم الآلي، بما في ذلك الشبكة العصبية الاصطناعية، لوصف التفاعلات بين الذرات في المادة.
"يعد استخدام التعلم الآلي للقوى الجزيئية اتجاهًا واعدًا في الكيمياء الحاسوبية. يفتح التنبؤ النظري الذي نقدمه في الورقة الجديدة آفاقًا جديدة، لأن نطاق الضغوط ودرجات الحرارة ذات الصلة يمكن اختباره تجريبيًا في المستقبل القريب. علاوة على ذلك، نتوقع أن تكون الأفكار المكتسبة من البحث مهمة أيضًا في تحديد موقع المواد الصلبة الفائقة في المواد الأخرى،" يخلص الدكتور هيرشبيرج.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
الدكتور باراك هيرشبيرج
