الإلكترونات الثقيلة في مركب اليورانيوم

باستخدام المجهر، المصمم لإظهار ترتيب وعلاقات الإلكترونات في البلورات، حصل العلماء لأول مرة على صورة للإلكترونات التي تضيف كتلة هائلة لنفسها في ظل الظروف القاسية.

وتكشف هذه الطريقة عن مصدر انتقال الطور الإلكتروني النادر في مادة معينة، وتفتح الباب لمزيد من الاختبارات لخصائص ووظائف الأشكال المعروفة باسم الفرميونات الثقيلة. ونشر علماء من مختبر بروكهافن الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية وجامعة ماكماستر ومختبر لوس ألاموس الوطني نتائج البحث في مجلة نيتشر العلمية.

"لقد اهتم الفيزيائيون بمسألة الفرميونات الثقيلة - لماذا تتصرف هذه الإلكترونات كما لو كانت كتلتها أكبر بمئات أو حتى آلاف المرات من كتلتها الأصلية في ظل ظروف خاصة - لمدة أربعين عاما تقريبا"، كما يقول المسؤول عن المشروع. بحث سيموس ديفيس، أستاذ العلوم الفيزيائية في جامعة كورنيل. إن فهم سلوك الفرميونات الثقيلة يمكن أن يؤدي إلى تطوير مواد جديدة للموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية.

وفي الدراسة الحالية، تتبع العلماء خصائص الإلكترونات في مادة مكونة من اليورانيوم والروثينيوم والسيليكون، وهي مادة ظلت في حد ذاتها لغزًا علميًا لمدة 25 عامًا. وفي هذه المادة تبدأ تأثيرات الفرميونات الثقيلة في إعطاء إشاراتها عندما يتم تبريد المادة إلى درجة حرارة تقل عن 218 درجة مئوية. عند درجة حرارة ناقص 255.65. يحدث انتقال طور إلكتروني أكثر غرابة.

وعزا العلماء هذا التحول في مرحلة درجات الحرارة المنخفضة إلى شكل معين من "النظام الخفي". ولم يتمكنوا من تحديد ما إذا كان الأمر مرتبطًا بالسلوك التعاوني للإلكترونات التي تعمل كموجة، أو بتفاعلات الإلكترونات الفردية مع ذرات اليورانيوم. قدم ألكسندر بالاتسكي، عالم الفيزياء النظرية في مختبرات لوس ألاموس، إرشادات حول كيفية حل هذا السؤال. وبهذا التوجيه، استخدم فريق البحث طريقة مصممة لتتبع سلوك الإلكترونات "لرؤية" ما كانت تفعله خلال هذه المرحلة الانتقالية الغامضة. في طريقة - المسح المجهري النفقي في التصوير الطيفي (SI-STM) - يتم قياس الأطوال الموجية للإلكترونات الموجودة على سطح المادة بالنسبة إلى طاقتها.

ويوضح الباحث: "تخيل أنك تحلق فوق مسطح مائي حيث تتحرك الأمواج المستقرة لأعلى ولأسفل، دون التحرك نحو الشاطئ". «عندما تصعد فوق قمم الأمواج، تستطيع أن تلمس الماء؛ عندما تمر فوق النقاط المنخفضة - لن تتمكن من لمسها. وهذا مشابه لما يفعله المجهر الخاص بنا، فهو يحاكي عدد الإلكترونات القادرة على "القفز" نحو طرف الكاشف عند كل نقطة على السطح. ومن قياسات الأطوال الموجية وكميات الطاقة تمكن العلماء من حساب الكتلة العملية للإلكترون.

ويوضح الباحث: "لقد كشفت لنا الطريقة أننا نتعامل مع إلكترونات ثقيلة جداً - أو إلكترونات تتصرف وكأنها ثقيلة جداً، حيث إن سرعة حركتها انخفضت قليلاً".
إن اكتشاف خصائص "الإلكترون الثقيل" تحت درجة الحرارة الانتقالية الثانية يقدم دليلا تجريبيا مباشرا على أن الإلكترونات "تتفاعل" مع ذرات اليورانيوم وليس أنها تتصرف كموجة متعاونة.

لتصور ذلك، تخيل لاعبي كرة القدم وهم يركضون نحو مرمى الخصم لحظة انطلاق المباراة. إذا كان كل لاعب حرًا في الجري دون عوائق، فسيبدو الفريق بأكمله وكأنه يتصرف في شكل موجة من "الإلكترونات" المستقلة نسبيًا. ومع ذلك، تخيل أنه بدلاً من ذلك، تمتلئ المحكمة بمجموعة من الكراسي، ويجب على كل لاعب الجلوس على الكرسي فورًا بمجرد مصادفته قبل المضي قدمًا في الملعب. وفي هذه الحالة تكون الكراسي تعادل ذرات اليورانيوم. من الواضح أن هذه التفاعلات بين الممثلين والرؤساء (أو الإلكترونات وذرات اليورانيوم) تؤدي إلى إبطاء التقدم.
وفي حالة اليورانيوم، فإن تباطؤ الإلكترونات لا يستمر إلا لجزء من الثانية أمام كل ذرة في المادة. ومع ذلك، نظرًا لأن طاقة الحركة (الطاقة الحركية) والكتلة مرتبطتان رياضيًا، فإن التباطؤ يؤدي إلى قياس الإلكترونات الأثقل من الإلكترونات الحرة.

وإلى جانب اكتشاف هذه التفاعلات كمصدر "للنظام الخفي" في مركب اليورانيوم، يظهر البحث أيضًا أنه يمكن استخدام الطريقة المحددة "لمراقبة" الإلكترونات الثقيلة. ونتيجة لذلك، تم فتح نافذة لتطوير طرق إضافية لدراسة وملاحظة هذه الظاهرة.

ويواصل فريق البحث استخدام هذه الطريقة لفحص مجموعة متنوعة من المركبات المماثلة من أجل فهم أعمق لأنظمة الفرميونات الثقيلة. يوضح الباحث الرئيسي: "تظل الفرميونات الثقيلة غامضة بعدة طرق، ومهمتنا كعلماء هي حل هذه المشكلة".

الأخبار من جامعة كورنيل