تقدم النتائج الجديدة صورة أكثر دقة لتدفق الإلكترون في الحالات الكمومية

تأخذ عبارة "على الحافة" معنى جديدًا عندما يتعلق الأمر بالتجارب في الحالات الكمومية للمادة. قام علماء معهد وايزمان للعلوم بدراسة الإلكترونات التي تتحرك حول حواف نظام فريد من نوعه. وكشفت قياساتهم - الأكثر دقة وحساسية على الإطلاق - عن تفاصيل جديدة حول سلوك الإلكترونات على المستوى الكمي. وقد نشرت هذه النتائج مؤخرا في مجلة الطبيعة العلمية

تأخذ عبارة "على الحافة" معنى جديدًا عندما يتعلق الأمر بالتجارب في الحالات الكمومية للمادة. قام علماء معهد وايزمان للعلوم بدراسة الإلكترونات التي تتحرك حول نهايات نظام فريد من نوعه. وكشفت قياساتهم - الأكثر دقة وحساسية على الإطلاق - عن تفاصيل جديدة حول سلوك الإلكترونات على المستوى الكمي. وقد نشرت هذه النتائج مؤخرا في مجلة الطبيعة العلمية.

وأجرى العلماء من مختبر البروفيسور إيلي زالدوف من قسم فيزياء المواد المكثفة في المعهد التجارب مع أعضاء المجموعة البحثية للبروفيسور أندريه جيم من جامعة مانشستر. ويعد البروفيسور جيم أحد مخترعي الجرافين - وهو شبكة ثنائية الأبعاد من ذرات الكربون - وهو الإنجاز الذي أكسبه وشريكه البروفيسور كونستانتين نوفوسلوف جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2010. ويحظى الجرافين بأهمية مركزية في الدراسة بسبب تأثير هول الكمي، وذلك لأنه بالإضافة إلى كونه موصلًا للكهرباء، فهو أيضًا خالي من الشوائب - مما يسمح بحركة الإلكترون بشكل ممتاز، إلى جانب فقدان الطاقة المنخفض.

أجرى البروفيسور زيلدوف والمجموعة البحثية القياسات باستخدام نظام فريد تم تطويره في المختبر، يعتمد على أجهزة فائقة التوصيل للتداخل الكمي (SQUID). ويتكون النظام الصغير من إبرة كوارتز رفيعة مطلية بمواد موصلة فائقة، مع حلقة صغيرة في نهايتها تقوم بمسح خصائص المادة القريبة جدًا من السطح، لعرض ظواهر مختلفة على مقياس النانو.

في تجربة سابقة أجريت بالتعاون مع مجموعة البروفيسور جيم، مع طبقات الجرافين المبردة إلى درجات حرارة منخفضة للغاية، أظهر العلماء أن نظامهم التجريبي حساس للغاية لدرجة أنه قادر على قياس أصغر الإشارات الحرارية: الحرارة الصادرة عن الإلكترونات في التدفق نتيجة "حوادث السيارات" - الاصطدامات بالعيوب الذرية المعزولة في المادة التي تتدفق من خلالها، و"المتناثرة" من اتجاهها الأصلي. أتاحت هذه الدراسة للباحثين تحديد أي خلل ذري في المادة يسبب فقدان الطاقة.

في الدراسة الحالية، أخذ الباحثون خطوة أبعد واستخدموا نظام الجرافين لإنشاء نظام هول الكمي. في مثل هذا النظام، تتحرك الإلكترونات في مستوى ثنائي الأبعاد يتم تبريده إلى درجة حرارة منخفضة جدًا وتعريضه لمجال مغناطيسي قوي. أدى هذا النظام التجريبي، الذي تم عرضه لأول مرة في عام 1980، إلى العديد من الاكتشافات حول الطبيعة الأساسية لسلوك الجسيمات في الأنظمة الكمومية "المحمية طوبولوجيًا". ويوضح البروفيسور زالدوف أنه في هذه الاكتشافات، أصبحت أهمية حواف النظام واضحة، ففي هذه الحالة تتحرك الإلكترونات في حلقة على طول الحواف؛ ما بين الأطراف يعمل بمثابة عازل، يفصل بين الجانبين و"يحمي" الإلكترونات من "فقدان مسارها".

إن أنماط فقدان الطاقة الموجودة في التجربة السابقة لم تعد العلماء لنتائج التجربة الجديدة. لقد توقعوا تأكيدًا للنظريات التي تصف متى وكيف يمكن لأنظمة هول الكمومية أن تفقد الطاقة. ومن الناحية العملية، لاحظ الباحثون هدر الطاقة في أماكن لم يكن من المفترض أن يتم إهدارها فيها - ولم يجدوا فقدان الطاقة حيث توقعوا فقدانها.

على سبيل المثال، توقعوا أن يعمل النظام كموصل مثالي - موصل لا يسمح بفقد الطاقة عند الحواف، لكن خريطة الحرارة الناتجة أظهرت قدرًا كبيرًا من فقدان الطاقة. هل دحضت هذه القياسات بطريقة أو بأخرى قوانين فقدان الطاقة في الإلكترونات في أنظمة هول الكمومية؟

تم وضع الجرافين في التجارب بين طبقات عازلة مع السيليكون تحتها، لغرض التحكم في كثافة الإلكترون، وإبرة الحبار أعلاه. وبصرف النظر عن التوثيق، يمكن أيضًا استخدام هذه الإبرة "لضبط" الظروف التجريبية: على سبيل المثال، لإضافة أو إزالة الإلكترونات، أو لتغيير الشكل الفعال للحواف - أي الطريقة التي "تراها" الإلكترونات. وقد سمح تشغيل الإبرة للباحثين بإنشاء خريطتين مختلفتين - واحدة لفقد الطاقة والأخرى للمقاومة - واكتشاف التداخل بين الظاهرتين، وإن لم يكن بشكل مطلق وليس في جميع الظروف. وأدى ذلك إلى اكتشاف ظاهرة غريبة أخرى: فبدلاً من حلقة واحدة من الإلكترونات، التي تتحرك في اتجاه عقارب الساعة على طول حواف الجرافين، اكتشف الباحثون ثلاث حلقات - اثنتان في اتجاه عقارب الساعة، والثالثة القريبة منها عكس اتجاه عقارب الساعة.

يقول البروفيسور زيلدوف: "لقد تمكنا من رؤية ذلك لأن دقة المعلومات المحلية والمكانية التي توفرها طريقة التصوير الحراري لدينا هي على مستوى النانو، وهي أكثر حساسية بعدة آلاف المرات من أي طريقة أخرى". "في القياسات العالمية التي تم إجراؤها حتى الآن، فإن المساهمات المعاكسة للحلقات في اتجاه عقارب الساعة وعكس اتجاه عقارب الساعة قد أزاحت بعضها البعض، لذلك يبدو أن هناك حلقات واحدة بدلاً من ثلاث." وجود عدة حلقات تتدفق في اتجاهين متعاكسين هو سبب هدر الطاقة. يوضح البروفيسور زيلدوف: "إن الإلكترونات تشبه عربات القطار التي تسير في اتجاه واحد". "يمكنهم القفز إلى أحد المسارات المجاورة - بما في ذلك المسار الذي تم توجيهه في الاتجاه المعاكس - بينما يفقدون الطاقة."

ويضيف: "هذه هي المرة الأولى التي يتمكن فيها شخص ما من فك تشفير مثل هذه العملية مكانيًا في حالة هول الكمومية في أي مادة واكتشاف الآلية المجهرية التي تؤدي إلى فقدان الطاقة". وبينما أظهر فريق البحث أن النتائج لا تدحض النظريات الأساسية لفقد الطاقة في حالات هول الكمومية، إلا أنها وضعت الأسس - النظرية والتجريبية - لاكتشافات جديدة في هذا المجال.

كما شارك في الدراسة الدكتور آرثر مارغريتا، وأميت أهارون شتاينبرغ، والدكتور دوري هالبرتال، والدكتور كوسيك بيجاني، وإيدو ماركوس، والدكتور يوري مياسوفيدوف من قسم فيزياء المواد المكثفة في معهد وايزمان للعلوم؛ وجون بيركبيك والبروفيسور ديفيد بيرلو من جامعة مانشستر.

لقراءة "بت" واحد من المعلومات الموجودة على جهاز الكمبيوتر أو الهاتف المحمول الخاص بنا، فإننا ننفق حاليًا حوالي 100 مليون مرة من الطاقة أكثر مما تتطلبه قوانين الديناميكا الحرارية.

للمادة العلمية

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• تم حل لغز فيزيائي عمره 140 عامًا: تأثير هول للضوء باستخدام موضوع ما
• أدى الارتباط بين مجموعتين بحثيتين في التخنيون إلى ظهور مجال علمي جديد: المواد الخارقة الكمومية
• تم التحقق من الخواص الإلكترونية لمادة الجرافين