قام علماء معهد وايزمان للعلوم بتطوير مقياس حرارة الماسح الكمي، وهو الأكثر حساسية في العالم
الصبي البالغ من العمر 30 عامًا يرقد على الأريكة في منزل والديه ويعاني من ارتفاع في درجة الحرارة؟ من المؤكد أن مقياس الحرارة العادي سيكون كافياً لقياس درجة حرارته. ولم يكن هذا هو الحال حتى الآن، فيما يتعلق بقياس المواد ذات الحجم النانومتري، بدقة الجسيمات الأعلى، خاصة عند درجات الحرارة المنخفضة، القريبة من الصفر المطلق. لكن الآن، البروفيسور إيلي زالدوف والطالبة البحثية دوري هالبرتال من قسم فيزياء المواد المكثفة في معهد وايزمان للعلوم، ذكرت في مقال نشروه وفي مجلة "الطبيعة" أنهم نجحوا في تطوير نظام يسمح بقياس درجة الحرارة بدقة كبيرة، في عينات مادية صغيرة، لا يتجاوز حجمها عشرات النانومترات. يوفر مثل هذا النظام تصويرًا ثنائي الأبعاد لتوزيع الحرارة في عينات المواد، وهو قادر على اكتشاف التغيرات التي تقل عن جزء من المليون من الدرجة. توفر مثل هذه القدرة، لأول مرة، أداة جديدة وقوية في دراسة العمليات الكمومية التي تتجلى في تبديد الحرارة في عينات المواد الصغيرة؛ شيء يمكن أن يساعد في تطوير الأجهزة المتقدمة لتقنية النانو، وفي تعزيز تطبيق أجهزة الكمبيوتر الكمومية وفي البحث عن الأسئلة الأساسية في الفيزياء.
ويعتبر النظام الجديد، الذي يعمل دون اتصال مباشر مع عينة المادة التي يتم قياسها، أكثر حساسية بمقدار 10,000 مرة من أنظمة القياس الحراري للمسح الموجودة حتى الآن. تم بناء المستشعر على أنبوب صغير مصنوع من الكوارتز، لا يتجاوز قطر فتحه بضع عشرات من النانومترات. وعلى جدار هذا الأنبوب، قام العلماء بتبخير هيكل مصنوع من معادن فائقة التوصيل، عند درجة حرارة منخفضة، حدث فيه تداخل إلكتروني كمي، وعلى أساسه يعمل الجهاز. يقول البروفيسور زالدوف: "عند المسح باستخدام هذا الجهاز، على مسافة قريبة جدًا من السطح، على بعد حوالي 10 نانومتر فقط من سطح عينة المادة، تحصل على قراءة محلية دقيقة للغاية لدرجة الحرارة مع تغيرات في التيار المتدفق في الموصل الفائق للجهاز. وتشير درجة الحرارة المقاسة إلى عمليات فقدان الطاقة في عينة النانومتر." تتيح الحساسية العالية لجهاز القياس الجديد، بالإضافة إلى مستوى الضوضاء المنخفض، قياس التغيرات الدقيقة في درجات الحرارة التي تقل عن جزء من المليون من الدرجة. يقول دوري هالبرتال: "إن قدرة الجهاز على العمل في درجات حرارة منخفضة للغاية، وبمستوى عالٍ من الدقة، والحد الأدنى من التدخل في التجربة، تسمح له بقياس ورسم خرائط وتقديم صور لمختلف الأنظمة التي تعتبر ذات إمكانات لتعمل كبتات كمومية - الوحدات الأساسية التي قد تدعم تطبيق أجهزة الكمبيوتر الكمومية المستقبلية ".
في الواقع، يمكن للجهاز الجديد أن يقيس بدقة غير مسبوقة، وفي الوقت نفسه، درجة الحرارة والمجال المغناطيسي على سطح عينة المادة. وفي مقال نشر في مجلة "نيتشر"، يصف علماء المعهد وشركاؤهم البحثيون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة مانشستر ومعهد تكنولوجيا النانو في برشلونة كيف استخدموا النظام الجديد على أسلاك النانومتر المركبة، وعلى أنابيب الكربون النانوية التي تم تطويرها. في مختبر البروفيسور إرنستو يوسليفيتز في معهد وايزمان للعلوم، وكذلك على مثال الجرافين الذي تم إنتاجه في جامعة مانشستر على يد الدكتور موشيه بن شالوم (الجرافين عبارة عن شبكة كربونية، سمك ذرة واحدة والذي مُنح اكتشافه لأندريه جيم - شريك آخر في المقال عن مقياس الحرارة الجديد - جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2010).
يعمل الجهاز في درجات حرارة منخفضة جداً وبدرجة عالية من الدقة وبأقل قدر من التدخل في التجربة
يقول العلماء: "لقد أظهرنا كيف أنه حتى في عينات المواد النظيفة جدًا والمنظمة، تحدث عمليات تبديد الحرارة من خلال عيوب صغيرة بحجم ذري، والتي تم تحديد موقعها ورسم خرائط لها باستخدام النظام الجديد". على سبيل المثال، فإن الطاقة المستثمرة حالياً لقراءة المعلومات في أنظمة الكمبيوتر الحالية أكبر بمقدار 100 مليون مرة من الطاقة اللازمة ـ وهو ما يؤدي إلى الانحباس الحراري ويحد من تصغير الأنظمة وكفاءتها. قد يرسم جهاز رسم الخرائط والقياس الجديد نقاط الضعف، مما يساعد على تطوير أجهزة إلكترونية صغيرة وفعالة وأكثر اقتصادا من تلك المتوفرة لدينا اليوم.
وبالنظر إلى المستقبل، قد يسمح النظام الجديد بقياس تبديد الحرارة - وتسرب المعلومات الكمومية - من الكيوبتات، وهي "مفاتيح" كمومية، والتي إذا تم تطويرها، يمكن أن تدعم تطبيق أجهزة الكمبيوتر الكمومية المستقبلية. مثل هذه القدرة قد تعلمنا أيضًا عن الانتقال غير المفهوم لنا اليوم، بين كتل صغيرة من المادة "تخضع" لنظرية الكم، والتي بعد حجم معين تتحرك لتتصرف وفقًا لقوانين الطبيعة في عالم الأجسام الكبيرة. .
