تقريبا مثالي

هل هناك جسيمات غير أبيلية في تأثير هول الكمي يمكن استخدامها لإنشاء البتات الكمومية؟

على مدى ثلاثة عقود تقريبًا، كان عالم فيزياء المادة المكثفة مفتونًا بثروة الظواهر المرتبطة بالحالات الطوبولوجية للمادة. وأغنى مثال في هذا المجال هو تأثير هول الكمي. وتحدث هذه الظاهرة في الأنظمة الإلكترونية حيث يقتصر تدفق الإلكترونات في بعدين فقط. عندما يتعرض النظام لتأثير مجال مغناطيسي عمودي على مستوى حركة الإلكترونات، يظهر جهد في المستوى، عمودي على اتجاه التيار. يُسمى هذا الجهد بجهد هول، وتسمى العلاقة بينه وبين التيار بمقاومة هول، والتي تم اكتشافها بالفعل في القرن التاسع عشر.

تم اكتشاف الجانب الكمي لهذه الظاهرة منذ حوالي ثلاثة عقود. أولاً، تم اكتشاف أن مقاومة هول تأخذ سلسلة من القيم "المكممة"، والتي تكرر نفسها، في مواد مختلفة، في عينات مختلفة وتحت ظروف مختلفة. يتم تكرار هذه القيم إلى أقرب واحد في المليار. ولكن، كما فهمنا على مدى سنوات من البحث، النظري والتجريبي، فإن هذه الظاهرة تتضمن العديد من المفاجآت، أهمها الشحنة المنقطعة والإحصائيات المعطلة. على الرغم من أن النظام عبارة عن نظام إلكتروني، مكون من جسيمات (إلكترونات) تحمل نفس الشحنة، إلا أنه قادر على التصرف كما لو كان يحتوي على جسيمات تكون شحنتها الكهربائية جزءًا صغيرًا من شحنة الإلكترون. هذه الجسيمات، التي تسمى "أشباه الجسيمات"، لا يمكن أن توجد إلا داخل النظام. ومع ذلك، حتى وجودهم يستلزم العديد من العواقب. إحداها هي الشحنة المكسورة، وهذا الاسم يفسر أيضًا طبيعتها.

هناك نوعان من الجسيمات معروفان في الطبيعة، ويتم التعبير عن الفرق بينهما، من بين أمور أخرى، في خصائصهما الإحصائية: الفرميونات (سميت على اسم الفيزيائي إنريكو فيرمي)، والبوزونات (سميت على اسم الفيزيائي ساتيندرا ناث بوز). الإلكترون هو فيرميون، وهذا يعني جسيم المادة. الفوتون هو بوزون، أي جسيم يحمل القوة. ومن المثير للدهشة أن الجسيمات التي تمت محاكاتها في أنظمة هول الكمومية تكسر هذا الانقسام الثنائي، مما يخلق العديد من أنواع السلوك الأخرى. والأكثر غرابة بين هذه السلوكيات هي إحصائية "عدم الحداد". هناك العديد من التنبؤات النظرية حول وجود جسيمات غير أبيلية في تأثير هول الكمي. في حالة وجود مثل هذه الجسيمات، فيمكن استخدامها لإنشاء البتات الكمية (Q-bits) - الوحدات الأساسية لتشغيل الكمبيوتر الكمي. ومن المتوقع أن يكون تماسك هذه الجسيمات إلى الحد الأقصى، لأن تفاعلها مع البيئة ضعيف للغاية. وهذه الحقيقة تجعل من الصعب على العلماء الذين يحاولون إثبات وجود مثل هذه الجسيمات بالتجارب.

تم إجراء الحسابات النظرية السابقة في ظل الافتراض العملي المتمثل في "النظام المثالي النظيف". لكن من الناحية العملية، لا يوجد نظام نظيف تمامًا. لأنه لا يوجد أحد كامل، ولا توجد مواد مثالية"

مجموعة من علماء الفيزياء من قسم فيزياء المواد المكثفة في معهد وايزمان للعلوم، منهم باحثة ما بعد الدكتوراه الدكتورة ميتالي بانيرجي، والبروفيسور. موتي هايبلوم، البروفيسور منظمة يوفال، البروفيسور عدي ستيرنوفريق العمل الدكتور فلاديمير أومانسكي ومعهم البروفيسور دميتري (ديما) فيلدمان من جامعة براون في الولايات المتحدة الأمريكية، تمكن مؤخرًا من إظهاره في تجربة، أن إحدى حالات تأثير هول الكمي هي في الواقع غير أبيلية. الأنظمة التي من المتوقع أن تظهر فيها الجسيمات غير الأبيلية هي أنظمة يصعب إنشاؤها للغاية. وللقيام بذلك، هناك حاجة إلى مواد شبه موصلة نظيفة للغاية، في درجات حرارة منخفضة للغاية، وتقنيات تجريبية معقدة للغاية. الدكتور فلاديمير أومانسكي من مجموعة أبحاث البروفيسور هيبلوم، هو "بطل العالم" في إنتاج بلورات نظيفة جدًا (أو نقية) من زرنيخ الغاليوم شبه الموصل. وفي مركز دون الميكرون في معهد وايزمان، يستطيع العلماء تبريد المواد إلى درجات حرارة تتراوح بين 10 إلى 20 ألف درجة فوق الصفر المطلق. ولغرض التجربة قام الدكتور ميتلي بانيرجي والبروفيسور موتي هايبلوم بتطوير نظام خاص يقيس التوصيل الحراري للإلكترونات المشاركة في الظاهرة (تدفق التيار الحراري بسبب اختلاف درجات الحرارة)، حيث أن هذه الموصلية تحمل علامات الدولة غير الأبيلية. ويقول البروفيسور هايبلوم إن هذه الموصلية "كمية"، أي أنها تتم على أساس وحدات ثابتة، وليس بتسلسل متغير، حيث تحمل الجسيمات الأبيلية وحدات كاملة، بينما تحمل الجسيمات غير الأبيلية وحدات مكسورة.

أظهرت التجربة كسرًا في الموصلية الحرارية؛ أي أن الوضع المدروس هو وضع غير حداد كما تنبأت به النظرية. ومع ذلك، لمفاجأة الباحثين، تبين أن الجسيمات غير الأبيلية كانت من نوع مختلف عما كان متوقعًا. يقدم المنظرون البروفيسور ديفيد ماروس، والبروفيسور يوفال أورج، والبروفيسور آدي شتيرن، وطالب البحث جلعاد مرغليت، تفسيرًا لهذه النتيجة المفاجئة. تم إجراء الحسابات النظرية السابقة على افتراض وجود "نظام مثالي نظيف". لكن من الناحية العملية، لا يوجد نظام نظيف تمامًا. يعكس تعبير "النظام النظيف" درجة نقاء بلورة المادة شبه الموصلة التي يُبنى منها نظام تأثير هول الكمي الجزئي. لكن هناك دائمًا شوائب في البلورات، وهناك تباين في مستوى النقاء باختلاف مناطقها، لذلك من الناحية العملية، البلورات ليست "مثالية". بمعنى آخر، كما لا يوجد أحد كامل، كذلك لا توجد مواد مثالية. وهكذا، أدخل المنظرون في حساباتهم نقاء غير مثالي لبلورات النظام، ومن ثم حصلوا على تنبؤ يطابق النتيجة التي تم الحصول عليها في المختبر. علاوة على ذلك، اكتشفوا أنه على الرغم من أن نقاء البلورة عادة ما يكون شرطًا ضروريًا لتحقيق حالة عدم الحداد، إلا أنه يمكن أن تكون هناك أيضًا ظروف يكون فيها النقاء غير الكامل في الواقع هو الذي يتسبب في تكوين مثل هذه الحالة.