مثل الإلكترون على السلك

طور علماء معهد وايزمان للعلوم نظامًا تجريبيًا وقياسيًا مبتكرًا سمح لهم، لأول مرة، بقياس وإظهار وجود "مادة كمومية صلبة": بنية منظمة ومرتبة من الإلكترونات، مخبأة داخل بلورة صلبة مكونة من الذرات

محاكاة للتجربة التي تم فيها الحصول على الصور الأولى لبلورة إلكترونية كمومية، والتي تم التنبؤ بوجودها قبل 80 عاما. رأى الباحثون الإلكترونات مرتبة على شكل لآلئ في خيط (كرات حمراء) على طول سلك نانوي. ولرصد الإلكترونات دون التأثير عليها، تم استخدام إلكترون واحد (باللون الأخضر) يحمله سلك نانوي آخر كجهاز استشعار (كاشف مسح) يكشف المجالات الكهربائية التي تنشأ عن الإلكترونات الموجودة في البلورة

هل يمكن للإلكترونات، مثل الذرات، أن تنتظم في حالة غازية متجمعة، أو في حالة سائلة، وأيضًا في شكل بلورة صلبة منظمة؟ هذا سؤال طرحه لأول مرة يوجين فيجنر، الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1963، والذي ظل مفتوحًا منذ حوالي 80 عامًا. الإلكترونات هي جسيمات كمية تتواجد في عدة أماكن في نفس الوقت. لديهم أيضًا كتلة صغيرة جدًا، مما يعني أنهم "يركضون" باستمرار، أي أن لديهم طاقة حركية عالية. وبسبب هاتين الخاصيتين، شكك العديد من العلماء في قدرة الإلكترونات على إحداث تفاعلات كبيرة (تفاعل) فيما بينها، وهي ضرورية للتنظيم في بنية منتظمة ودائمة، في نوع من "الصلب الكمي".

لقد حاول العديد من العلماء، في أنحاء مختلفة من العالم، لسنوات قياس وتمييز وتحديد مثل هذا الهيكل من الإلكترونات، في كتلة أو أخرى من المادة - لكنهم لم ينجحوا. كان هذا هو الوضع حتى قام البروفيسور شاشال إيلاني وطالبي البحث إيلانيت شابير وأساف حمو، من قسم فيزياء المواد المكثفة في معهد وايزمان للعلوم، بتطوير نظام تجريبي وقياسي مبتكر - مما سمح لهم، لأول مرة لقياس وإظهار وجود "المادة الصلبة الكمومية": وهي بنية منظمة ومرتبة من الإلكترونات، مخبأة داخل بلورة صلبة مكونة من ذرات. تم وصف هذا القياس الأولي في مقال نُشر مؤخرًا في المجلة العلمية Science.

الإلكترونات هي جسيمات كمية تتواجد في عدة أماكن في نفس الوقت. لديهم أيضًا كتلة قليلة جدًا، مما يعني أنهم "يركضون" باستمرار. وبسبب هاتين الخاصيتين، شكك العديد من العلماء في قدرتهما على الحفاظ على تفاعلات كبيرة بينهما، وهي ضرورية للتنظيم في بنية منظمة ودائمة، في نوع من "الصلب الكمي"."

تجعل الخصائص الكمومية للإلكترونات الأمر صعبًا للغاية بالنسبة لأولئك الذين يرغبون في قياسها ورسم خرائط لها (نظرًا لأنه، كما نعلم، في عالم الكم "يؤثر المراقب على النتيجة"). فكيف يمكن إذن قياس ورسم مواقع الإلكترونات الموجودة في عينة أو أخرى من المادة؟

ولمواجهة هذا التحدي، قام البروفيسور إيلاني وأعضاء مجموعته بتطوير مستشعر المجال الكهربائي الأكثر حساسية في العالم - القادر على استشعار وتحديد المجال الكهربائي لإلكترون واحد. تم بناء هذا المستشعر الأصلي من سلك نانوي، والذي "يطفو" فوق عينة المادة التي يتم قياسها، ويستشعر المجالات الكهربائية الصغيرة للإلكترونات الموجودة فيها.

كما أن عينة المادة التي تم قياسها في التجربة كانت في الواقع عبارة عن سلك نانوي تم تنظيم إلكتروناته على طوله على فترات متساوية ("مثل الطيور على السلك"). إن الجمع الأصلي لعينة من مادة تم اختبارها، وهي عبارة عن سلك نانوي، ومستشعر حساس بشكل خاص، مصنوع أيضًا من سلك نانوي، جعل من الممكن، لأول مرة، التمييز - من خلال "الرقص الكمي" المستمر للجزيئات. الإلكترونات، متجاهلين حالة الجنون التي تتعرض لها بسبب كتلتها الصغيرة - في بنية منظمة من الإلكترونات، أي في مادة صلبة من الإلكترونات مدمجة في المادة المعينة.

تبلغ قوة التنافر الكهربائي المؤثرة بين إلكترونين والمسؤولة عن إنشاء الطور البلوري الكمي المرصود حوالي 1 فيمتو نيوتن - 0.000000000000001 نيوتن

#أرقام_علمية
תגיות:
شاشيل إيلاني، فيزياء المادة المكثفة، فيزياء الكم، الإلكترونات، الأسلاك النانوية