حالة التراكم: سائل

تمكن باحثون من معهد وايزمان من ملاحظة إنشاء سائل مثير لأول مرة

عندما نفقد شيئًا ما، فإن الكيان المفقود لا يزال بطريقة ما في ذاكرتنا. بمعنى ما، تمنح هذه الذاكرة الكائن الضائع نوعًا من الوجود المحروم. وهذه الظاهرة معروفة في عالم علم النفس وفي مجال علم وظائف الأعضاء ("الإحساس الوهمي")، ولكنها في الواقع تحدث أيضًا في العالم المادي. لذلك، على سبيل المثال، عندما "تقفز" الإلكترونات الموجودة في مادة شبه موصلة إلى مستوى طاقة أعلى (نتيجة للإثارة البصرية)، فإنها تترك وراءها نقصًا إلكترونيًا، وهو نوع من "الفراغ" أو "الثقب". ويعمل هذا "الثقب" ويتصرف ككيان مادي لكل شيء، ويحمل شحنة كهربائية موجبة، وهي عكس الشحنة الكهربائية السالبة للإلكترون. في حالات معينة، قد يتحرك الإلكترون الذي قفز إلى مستوى طاقة مرتفع حول "الحفرة" التي تركها وراءه. ويعمل "الثقب"، الذي يحمل شحنة كهربائية موجبة، بمثابة نوع من نواة الذرة يسمى "إكسيتون". ولكن على عكس الذرات في الطبيعة، فإن الإكسيتونات موجودة فقط في غمضة عين. يسعى الإلكترون المثار إلى "العودة إلى موطنه"، ليأخذ مكانه السابق، بدلاً من "الثقب". في الواقع، من الطبيعي أن يتمكن من العودة إلى مكانه الأصلي في وقت قصير جدًا، عادةً بضعة نانو ثانية. ويستخدم الضوء المنبعث في عملية إعادة الإلكترون إلى مكانه كأداة لفهم أنماط حياة الإكسيتونات، والتي تعتبر أرضًا خصبة للبحث والعديد من التطبيقات.

إذا تمت مقارنة الإكسيتون بالذرة، فإن السؤال الذي يطرح نفسه هو: هل من الممكن إنشاء هياكل أكثر تعقيدًا يشارك فيها العديد من الإكسيتونات، على سبيل المثال، بلورة أو سائل من الإكسيتونات؟

وقد واجه هذا التحدي البروفيسور إسرائيل بار يوسف من قسم فيزياء المواد المكثفة، مع الدكتور مايكل ستيرن والدكتور فلاديمير أومانسكي. وتمكن الثلاثة من ملاحظة نشوء سائل إكسيتوني لأول مرة، ونشرت نتائج هذا البحث مؤخرا في مجلة ساينس العلمية. الصعوبة الأولية، التي عادة ما تمنع إنشاء هياكل معقدة من هذا النوع، هي قصر عمر الإكسيتونات. تختفي بعد وقت قصير جدًا من تكوينها، في الواقع بعدها مباشرة، لذلك من المستحيل إنشاء كثافة عالية من الإكسيتونات، وهو أمر ضروري لتكوين سائل. لإطالة عمر الإكسيتون والحفاظ عليه لفترة أطول، استخدم الباحثون هياكل متعددة الطبقات مبنية من طبقات رقيقة، يبلغ سمك كل منها بضع عشرات من الذرات.

إن نمو الهياكل من هذا النوع هو أحد مجالات تخصص مركز Submicron في معهد وايزمان للعلوم. باستخدام هذه الطريقة، من الممكن إنشاء "بئر كمي" يحتوي على الإلكترونات (و"الثقوب") في طبقة رقيقة. عندما تقوم بإنشاء هيكل من بئرين كموميين قريبين جدًا من بعضهما البعض وتطبيق مجال كهربائي عليه، يمكنك جعل الإلكترون في طبقة واحدة، و"الثقب" - في الطبقة المجاورة. في هذه الحالة، لا يزال الاثنان يشعران بالتجاذب الكهربائي المتبادل، ويكونان قادرين على إنشاء إكسيتون، لكن اتحادهما أكثر صعوبة، لأنهما منفصلان في الفضاء. هكذا تمكن العلماء من خلق إكسيتونات مدة وجودها طويلة جداً، عندما يتم استخدام قوة المجال الكهربائي المطبق على النظام (ويؤثر على المسافة بين الإلكترون و"الثقب") كأداة لتحليل السيطرة هذه المرة.

عند تبريد النظام إلى درجة حرارة منخفضة وزيادة كثافة الإكسيتونات، لاحظ الباحثون تحولًا حادًا (يحدث عند درجة حرارة وكثافة أقل من تلك الحرجة)، حيث ينقسم النظام إلى منطقتين: "غازية" المنطقة التي تتحرك فيها الإكسيتونات بشكل عشوائي بالنسبة لبعضها البعض، والمنطقة "السائلة" - التي يتم فيها تنظيم حركتها. السائل الملاحظ في المختبر يختلف عن السوائل المعروفة في الطبيعة. عادة تتشكل البلورات والسوائل نتيجة وجود قوى تجاذب تعمل بين الذرات على مسافات متقاربة، لكن الوضع هنا معكوس: الإكسيتونات تتنافر، إذ أن القوى التنافرية بين الإلكترون والإلكترون وبين الثقب والفجوة ( الموجودة في نفس الطبقة) أكبر قليلاً من قوى التجاذب المؤثرة بين الإلكترونات والثقوب (الموجودة في طبقات مختلفة). ويعني التنافر المتبقي الضعيف أن الإكسيتونات متوضعة على مسافات متساوية -تقريبًا- من بعضها البعض، وتشكل معًا بنية ديناميكية منظمة، تشبه حالة التجميع السائلة.