في بحث الدكتور بينغي يان، تمهد المواد الجديدة الطريق لاكتشافات جديدة في الفيزياء
الدكتور بينغهاي يان، الذي انضم مؤخرًا إلى قسم فيزياء المواد المكثفة في معهد وايزمان، يُعرّف نفسه بأنه "منظر منخرط في البحث التجريبي". أي أنه يبحث في خصائص المواد الجديدة والمثيرة للاهتمام باستخدام الرياضيات والمحاكاة، وبناءً على النتائج التي توصل إليها يقدم اقتراحات لتجارب جديدة. على سبيل المثال، في الدراسة التينشرت مؤخرا في المجلة الطبيعة ونجح الدكتور يان وزملاؤه من ألمانيا وسويسرا والولايات المتحدة في إثبات "شذوذ الجاذبية"، وهو مفهوم أساسي تمت دراسته لسنوات عديدة. وقد تم الترحيب بعملهم باعتباره "خطوة نحو فهم لغز الثقوب السوداء".
تم التنبؤ بحدوث شذوذ في الجاذبية، في ظل ظروف معينة، ضمن بعض المعادلات الأساسية في الفيزياء، بما في ذلك دوران النجوم النيوترونية والكون المبكر، ولكن لم يتم ملاحظتها فعليًا مطلقًا. وكان يعتبر تأثيرًا صغيرًا جدًا، لا يمكن رؤيته إلا في انحناء الزمكان بالقرب من الثقوب السوداء أو بعد الانفجار الكبير مباشرة، أو على أقل تقدير، في تجربة معقدة في طاقات عالية. لكن فريق البحث تمكن من توثيق ذلك عن طريق قياس الموصلية الحرارية في قطعة من المادة المعروفة باسم "Weill's Semimetal NbP" - وهي مادة تم اكتشافها مؤخرًا في بحث الدكتور يان.
ما هو المميز في هذه المادة؟ يحتوي على جسيمات أولية تسمى "فرميونات فايل". في هذه الجسيمات، يكون الدوران - وهو خاصية للجسيمات الكمومية التي تذكرنا عمومًا بالدوران المغزلي لكرة القدم - موازيًا أو مضادًا للتوازي مع اتجاه الحركة. هذه هي الطريقة التي يتم بها قفل الدوران والحركة - وهي ظاهرة تعرف في الفيزياء باسم "اللامركزية"، واعتمادًا على دورانها، تكون فرميونات ويل في "تكوين أعسر" أو "تكوين أيمن". إن اللامركزية هي التي تحول فرميونات ويل إلى أنظمة مثالية للكشف عن الحالات الشاذة، وهي ظواهر تتناقض مع القوانين الأساسية لميكانيكا الكم، التي تنص على وجوب الحفاظ على الجسيمات وأرقام الدوران.
أما بالنسبة لشذوذ الجاذبية، فهو يظهر على سبيل المثال في نظرية المجال الكمي، حيث يمكن للزمكان المنحني أن يخلق خللاً في التوازن بين الجسيمات في التكوين الأيمن والجسيمات في التكوين الأيسر، وهو الأمر الذي سيجعل الأمر صعبًا للحفاظ على المساواة بين التكوينين. وقام الدكتور يوهانس جوث، الذي أجرى التجربة، والذي يجري حاليًا أبحاث ما بعد الدكتوراه في مركز أبحاث IBM في زيورخ، بتطبيق انخفاض في درجة الحرارة ومجال مغناطيسي على شبه معدن فايل في المختبر. وفقًا للدكتور يان، خلق هذا ظاهرة مماثلة للزمكان المنحني، مما سمح للباحثين بمراقبة تأثير فرميونات ويل على الجاذبية. يفتح هذا البحث الباب لمزيد من البحث فيما يتعلق بظواهر المجال الكمي التي لم يتم اكتشافها بعد.
ويعتزم الدكتور يان مواصلة البحث في الخصائص الفريدة للمواد الطوبولوجية، وحتى تصور مواد جديدة. وهو يعتقد أن بعضها قد يكون له خصائص بصرية ومغناطيسية مثيرة للاهتمام. علاوة على ذلك، قد يكون لهذه المواد استخدامات عملية؛ على سبيل المثال، في إنشاء وسائط تخزين البيانات، وحتى في بناء الكمبيوتر الكمي
تنتمي أشباه المعادن التي اكتشفها ويل إلى مجموعة جديدة نسبيًا من المواد المعروفة باسم المواد الطوبولوجية، وهي مواد صلبة ذات خصائص إلكترونية غريبة. أصل هذه المواد يعود إلى المفهوم الرياضي للطوبولوجيا، وقد لوحظت الاكتشافات في منح جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2016. ويعتزم الدكتور يان مواصلة البحث في الخصائص الفريدة لهذه المواد، وحتى تصور مواد جديدة. وهو يعتقد أن بعضها قد يكون له خصائص بصرية ومغناطيسية مثيرة للاهتمام، والتي بفضلها سيكون من الممكن إجراء المزيد من التجارب في فيزياء الجسيمات الغريبة والسلوكيات الكمومية. علاوة على ذلك، قد يكون لهذه المواد استخدامات عملية؛ على سبيل المثال، في إنشاء وسائط جديدة لتخزين البيانات، وحتى في بناء جهاز كمبيوتر كمي.
في المنزل في إسرائيل
وعلى الرغم من أن الدكتور يان أمضى بضعة أشهر فقط في معهد وايزمان للعلوم، إلا أنه يشعر، حسب قوله، بأنه "في بيته". وُلِد في شمال الصين، على مقربة من بكين، وحصل على الدكتوراه من جامعة تسينغهوا. وتابع دراسات ما بعد الدكتوراه في جامعة بريمن في ألمانيا، وفي جامعة ستانفورد في الولايات المتحدة، ومن ثم في معهد ماكس بلانك للكيمياء الفيزيائية للمواد الصلبة في ألمانيا. خلال هذه الفترة، أجرى اتصالات مع العديد من علماء الفيزياء من معهد وايزمان للعلوم، والذي يواصل العمل معهم حتى اليوم. "أتعاون مع الباحثين في المعهد في مجال النظرية الأساسية وفي مجال القياسات، وكذلك مع المجموعة في ألمانيا لإنتاج المواد. يقول: "معًا، نحن فريق لطيف جدًا". بالتعاون مع الدكتور حاييم بيدنكوبف، أحد كبار العلماء التجريبيين في المعهد، رأى الدكتور جان فرميونات فايل لأول مرة باستخدام مجهر المسح النفقي.
الدكتورة يان متزوجة من جوانهوان وانغ، وهو حاليًا طالب بحث في مجموعة البروفيسور دان ياكير من قسم علوم الأرض والكواكب في المعهد. لدى الزوجين طفلان يبلغان من العمر عامين وأربعة أعوام، ويقول الدكتور جان إنهما يقدران بشكل خاص جودة رياض الأطفال في المعهد.
