على الحافة، ضد التيار

لاحظ علماء معهد وايزمان للعلوم لأول مرة مجموعات من الإلكترونات التي تعمل بمثابة "جسيمات محاكاة" أثناء تحركها ضد التيار في نظام هول الكمي الجزئي

تم قياس مقاومة كهربائية أكبر من الصفر في نظام هول الكمي الجزئي غير المستقطب، نتيجة لتحرك الجسيمات عكس التيار. رسم توضيحي، البروفيسور موتي هايبلوم، معهد وايزمان

السائق الذي ارتكب خطأً عند التقاطع ووجد نفسه يقود سيارته على الطريق السريع، عكس اتجاه حركة المرور، يتلقى مكالمة هاتفية من زوجته: "كن حذرًا"، تقول له، "على الراديو يبلغون عن وجود حادث". السائق المتهور الذي يقود سيارته عكس اتجاه حركة المرور." "واحدة فقط من هذه؟" فيجيبها: "هناك الكثير منهم هنا..."

إن التحرك ضد اتجاه التيار الرئيسي الطبيعي هو دائما أمر صعب، لكنه عادة ما يعزى إلى البشر وطبيعة البعض منهم المتمردة. ومن ناحية أخرى، من المتوقع أن تتصرف الإلكترونات بانتظام، بحيث تتحرك جميع الإلكترونات في نظام معين في نفس المدارات. لكن اتضح أنه حتى في عالم الإلكترونات الصغير، قد تنشأ مواقف تتحرك فيها معظم الإلكترونات في اتجاه واحد، بينما يتحرك بعضها عكس الاتجاه العام للتدفق. تم اكتشاف هذه الظاهرة مؤخرًا في تجربة أجراها طلاب البحث أمير روزنبلات وفابيان لافونت، وعالم الطاقم فلاديمير أومانسكي والبروفيسور موتي هايبلوم في معهد وايزمان للعلوم.

تم إجراء الملاحظة في نظام هول الكمي الجزئي. يحدث تأثير هول عندما يتعرض النظام الذي تتحرك فيه الإلكترونات لتأثير مجال مغناطيسي عمودي على مستوى حركة الإلكترونات. ونتيجة لذلك، يتم "دفع" الإلكترونات من مركز النظام وتستمر في التحرك على حافته. وفي ظل ظروف معينة يصبح النظام "كسريا"، أي أنه رغم أنه نظام إلكتروني، تتحرك فيه جسيمات - إلكترونات - لها نفس الشحنة الكهربائية السالبة، إلا أنه تنشأ فيه "جسيمات" شحنتها جزء من الشحنة الكهربائية السالبة. شحنة الإلكترون. هذه الجسيمات هي في الواقع نوع من الهياكل (أو مجموعات) من الإلكترونات التي تعمل بمثابة "جسيمات مقلدة" ("أشباه جسيمات")، يحمل كل منها شحنة كهربائية أصغر من الشحنة "الأساسية" لإلكترون واحد : ثلث شحنة الإلكترون، وخمسها أو سبعها، وأكثر.

وفقًا لنظرية معينة، في نظام تأثير هول الكمي الجزئي، حيث يتم إنشاء جسيمات افتراضية ذات شحنة كهربائية تساوي ثلثي شحنة الإلكترون - من المفترض أيضًا أن تكون هناك "ثقوب افتراضية" ذات شحنة كهربائية موجبة كسرية. سيتم إنشاء. "الثقوب" هي نوع من "المساحات" التي خلفتها الإلكترونات التي قفزت إلى حالة أخرى. "الثقب"، أو "نقص الإلكترون" (أو، إذا أردت، نوع من "السحب على المكشوف")، يعمل كجسيم. وبما أن الإلكترون له شحنة كهربائية سالبة، فإن "نقص الإلكترون" له شحنة كهربائية معاكسة - أي موجبة. هذه "الثقوب"، التي لها شحنة كهربائية موجبة، يجب، وفقًا للنظرية، أن تتحرك على حافة النظام في الاتجاه المعاكس لاتجاه الجسيمات المتشظية المحاكية.

وفي الماضي حاول العلماء في مختلف أنحاء العالم ملاحظة هذا التيار العكسي، لكنهم لم يتمكنوا من رصده أو قياسه. وقد نجح علماء المعهد مؤخرًا في القيام بذلك. التجربة التي أدت إلى نجاحها أجريت في نظام هول الكمي الجزئي، حيث يتم إنشاء جسيمات محاكية بشحنة تساوي ثلثي شحنة الإلكترون، وفيها لا يكون التيار مستقطبا مغناطيسيا (في الماضي، كان العلماء حاولت التمييز بين "تيار الثقب" الذي يتحرك في الاتجاه المعاكس، في الأنظمة التي يوجد بها الاستقطاب). إن بناء نظام تجريبي مناسب، لا يوجد فيه الاستقطاب، يتطلب تخطيطًا دقيقًا وصارمًا، والبناء على شرائح أشباه الموصلات ذات خصائص محددة وفريدة من نوعها يصعب إنشاءها. هذا هو المكان الذي يظهر فيه العالم الدكتور فلاديمير أومانسكي، وهو خبير عالمي مشهور في إنشاء بلورات فريدة من نوعها في أشباه الموصلات. وابتكر الدكتور أومانسكي بلورات أتاحت لأعضاء المجموعة البحثية بناء النظام التجريبي الذي تمكنوا من خلاله من قياس "تيار الثقوب" الذي يتحرك في الاتجاه المعاكس لاتجاه تيار الإلكترون.

وكان "تيار الثقوب" الذي يتحرك في الاتجاه المعاكس أضعف بكثير من التيار العادي للإلكترونات (نحو عُشره)، ويضعف حتى درجة الزوال، بحسب مسافة الحركة. أي أنها ظاهرة تحدث في حركة الجسيمات المشحونة لمسافة صغيرة تصل إلى حوالي أربعة ميكرومترات. ومع ذلك، فإن الدعم الكبير لهذه النتيجة التجريبية للنظرية يعزز قدرتنا على فهم أفضل لمجموعة القوانين التي تحكم عالم الجسيمات الكمومية.