جسيمات خيالية في عالم الكم

قد تساعد الشحنات الكهربائية الصغيرة في تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية

وبما أن الشحنة الكهربائية للإلكترون تم قياسها لأول مرة منذ حوالي 80 عاماً على يد الفيزيائي الأمريكي روبرت ميليكان، فإن هذه الشحنة تعتبر الوحدة الأساسية الأصغر للشحنة الكهربائية. ولكن منذ ذلك الحين، تم تطوير نظريات بشأن وجود جسيمات محاكاة تحمل شحنات كهربائية أصغر، والتي تم قياسها بالفعل في التجارب التي أجراها البروفيسور موتي هايبلوم وأعضاء مجموعته البحثية في قسم فيزياء المواد المكثفة في معهد وايزمان للعلوم. . لكن مؤخرًا أصبح من الواضح أن هناك بالفعل أنواعًا مختلفة من الجسيمات المحاكية التي تحمل شحنات كهربائية أصغر من شحنة الإلكترون. قد تكون هذه النتائج ذات أهمية كبيرة في طريق تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

تم اقتراح إحدى النظريات المتعلقة بالشحنات الكهربائية الأصغر من شحنة الإلكترون في عام 1982 من قبل الفيزيائي الأمريكي روبرت ليفلين كجزء من تفسير بعض الظواهر الإلكترونية. من تفسير ليفلين، كان من المفترض أنه في ظل ظروف معينة يتم إنشاء نوع من هياكل الإلكترونات في التيار الكهربائي التي تعمل بمثابة "جسيمات محاكاة"، كل منها يحمل شحنة كهربائية أصغر من الشحنة "الأساسية" لإلكترون واحد ( ثلث شحنة الإلكترون، وخمسه، وسبعه، وحتى أجزاء أصغر منه). تم تقديم الدليل الأول على صحة نظرية ليفلين من قبل أعضاء مجموعة بحث البروفيسور هايبلوم. لقد تمكنوا، لأول مرة في العالم، من قياس الشحنات الكهربائية لـ "الجسيمات المحاكاة"، والتي كانت بالفعل تساوي ثلث وخمس شحنة الإلكترون الواحد. لعب هذا الدليل دورًا مهمًا في قرار منح جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1998 لروبرت ليفلين وهورست ستورمر ودانيال تسوي.

تتنبأ نظرية لافلين، التي تشرح بعض الظواهر الكمومية، بوجود جسيمات محاكية تحمل شحنة تمثل جزءًا من شحنة الإلكترون، وبشكل أكثر دقة، جزء ذو مقام فردي (ثلث، خمس، سبع). . لكن التجارب التي فحصت ظواهر كمومية أخرى أشارت إلى احتمال وجود جسيمات محاكاة من نوع مختلف تماما: تلك التي تعادل شحنتها الكهربائية ربع شحنة الإلكترون. وقد أثبت البروفيسور هايبلوم وأعضاء فريقه البحثي مؤخراً وجود هذه الجسيمات المحاكية، وتمكنوا من قياس شحنتها الكهربائية، والتي تعادل ربع شحنة الإلكترون. أصبحت هذه التجربة ممكنة، من بين أمور أخرى، بفضل حقيقة أن الدكتور فلاديمير أومانسكي، من مجموعة أبحاث البروفيسور هيبلوم في معهد وايزمان، كان قادرًا على إنشاء أنقى مادة أشباه الموصلات (زرنيخ الغاليوم) في العالم في المختبر. ومن هذه المادة بنى العلماء الجهاز الذي أجريت فيه التجربة.

يتم إنشاء هذه الجسيمات المحاكية، التي لها شحنة كهربائية تعادل ربع شحنة الإلكترون، في نظام يحدث فيه تأثير هول الكمي. ويحدث تأثير هول عندما توضع الإلكترونات في نظام ثنائي الأبعاد (السطح)، والذي يقع تحت تأثير مجال مغناطيسي قوي. عندما تتدفق الإلكترونات في هذا النظام، فإن كل إلكترون "يطمح" إلى الاستمرار في التحرك بشكل مستقيم - لكن المجال المغناطيسي الذي يعمل على النظام يحني مساره. وبالتالي يتسبب المجال المغناطيسي في تراكم العديد من الإلكترونات على جانب واحد من النظام بشكل عمودي على اتجاه التيار الكهربائي. ومع زيادة كمية الإلكترونات المتجمعة عند حافة السطح، فإن الإلكترونات التي تحمل شحنة كهربائية سالبة تتنافر بقوة أكبر، وبالتالي تقاوم قبول إلكترونات إضافية. وهذا يخلق صراع قوى: يدفع المجال المغناطيسي الإلكترون إلى حافة النظام، لكن الإلكترونات العديدة الموجودة بالفعل تتنافر معه وتؤثر عليه ليعود إلى مساره المستقيم. وعندما تصل هاتان القوتان إلى التوازن، فإن الإلكترونات "الجديدة"، القادمة من خارج النظام، ستستمر بالفعل في التحرك في خط مستقيم، على الرغم من محاولات المجال المغناطيسي لحرف مسارها. وبطبيعة الحال، يوجد في النظام الإلكتروني مجال كهربائي في اتجاه تدفق التيار. لكن في نظام تأثير هول -بسبب تأثير المجال المغناطيسي- يكون الجهد متعامدًا مع اتجاه التيار الكهربائي (بينما يكون الجهد في اتجاه التدفق صفرًا). في النظام غير الكمي، يتناسب الجهد بشكل مباشر مع المجال المغناطيسي. ومن ناحية أخرى، في تأثير هول الكمي الذي يعمل في نظام ثنائي الأبعاد، وفي المجالات المغناطيسية القوية، تحدث ظاهرة مفاجئة: يظل الجهد ثابتًا حتى عندما يتغير المجال المغناطيسي، وتتحدد قيمته المستقرة بنسبة بين ثابت بلانك ومربع شحنة الإلكترون، ولا يعتمد على خواص المادة التي يتم القياس فيها إطلاقاً.

في الواقع، هناك أنواع مختلفة من تأثير هول الكمي. في إحداها، والمعروفة باسم "تأثير هول الكمي غير الأبيلي"، من الممكن، في ظل ظروف معينة، بناء بت كمي يمكن أن تعتمد عليه أجهزة الكمبيوتر الكمومية. للقيام بذلك، هناك حاجة إلى "جسيمات محاكاة" بشحنة كهربائية تساوي ربع شحنة الإلكترون. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن يكون للنظام عدة حالات أرضية لها نفس الطاقة (الحالة الأرضية هي الحالة التي تكون فيها طاقة النظام في حدها الأدنى). الشرط الثالث: أن يتمكن النظام من الانتقال من حالة أساسية إلى أخرى، وذلك عن طريق تغيير موضع بعض "الجزيئات المحاكية". يتم تحديد حركة النظام بين الحالات الأرضية المختلفة وفقًا لطوبولوجيا المسار الذي تتحرك فيه الجسيمات المحاكية، وبالتالي فإن طريقة الحساب التي ستعتمد على حركة هذه الجسيمات تسمى "الحساب الكمي الطوبولوجي". إذا تم استيفاء جميع هذه الشروط، يصبح النظام محصنًا نسبيًا ضد الاضطرابات البسيطة التي لا يمكن السيطرة عليها في بيئته.

هنا يمكنك أن تسأل ماذا سيحدث عندما يغيرون مواقع الجزيئات في النظام. في النظام العادي (الذي توجد فيه إلكترونات، أو جسيمات مقلدة من نوع ليفلين)، فإن تغيير مواقع الجسيمات لا يغير الحالة الكمومية للنظام، باستثناء إضافة مثيل (طور) إلى الدالة الموجية للنظام بأكمله. ومن ناحية أخرى، عندما يتم تبادل مواقع الجسيمات المحاكية ذات الشحنة الكهربائية التي تساوي ربع شحنة الإلكترون، في نظام ثنائي الأبعاد حيث يحدث تأثير هول الكمي غير الأبيلي، تنشأ ظاهرة جديدة : إن تبادل مواقع اثنين من هذه الجسيمات سوف ينقل النظام بأكمله إلى حالة كمومية مختلفة تمامًا (وليس فقط لإضافة مثيل إلى الدالة الموجية للنظام). إن القدرة على إحداث مثل هذا الاختلاف الأساسي في النظام هي التي قد تسمح لهذا النظام بالعمل كأساس للكمبيوتر الكمي. ويأمل العلماء أن يساعد الفهم الأفضل لهذه الظاهرة الفريدة في التقدم نحو تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية.