وكل ذلك بسبب إلكترون صغير

ييغال مئير من جامعة بن غوريون في النقب حل لغز "الشذوذ 0.7"

بواسطة يائيل لابان

تمكن البروفيسور ييغال مئير، من قسم الفيزياء ومعهد إيلزا كاتس للأبحاث النانوية والميسكوبية في جامعة بن غوريون، من حل اللغز الذي شغل الباحثين في مجال الإلكترونيات النانوية منذ حوالي عشرين عامًا.

توجد الإلكترونيات النانوية في مجال الفيزياء المجهرية - وهو المجال الواقع بين الفيزياء الكلاسيكية وفيزياء الكم. تتعامل الفيزياء الكلاسيكية مع الأجسام الكبيرة - من حبة الرمل إلى النجوم والمجرات. تصف فيزياء الكم سلوك الذرات والجزيئات. وفي السنوات الأخيرة، تم اكتشاف طرق لبناء أنظمة في المدى المتوسط، والتي تشمل مئات أو آلاف الذرات، ويقاس حجمها بعشرات إلى مئات النانومترات. تقدم هذه الأنظمة ظواهر مثيرة للاهتمام، والتي لم يكن من الممكن في الماضي إلا افتراضها ووصفها نظريًا. أحد هذه الأنظمة هو "اتصال النقطة الكمومية" (QPC).

"عنق الزجاجة الكمي" هو الوحدة الأساسية لمختلف الأجهزة الإلكترونية النانوية. ولبنائه، يتم ربط مادتين شبه موصلتين ناعمتين للغاية ببعضهما البعض. من خلال مطابقة خصائص أشباه الموصلات، يتم إنشاء طبقة من الإلكترونات التي يمكنها التحرك بحرية فقط بالتوازي مع الحافة في الحافة بينهما. تسمى هذه الطبقة من الإلكترونات التي تتحرك على مستوى واحد "غاز الإلكترون ثنائي الأبعاد". يتم التحكم في حركة الإلكترونات في المستوى عن طريق بوابات تمنع مرور الإلكترونات عند تطبيق جهد سلبي عليها. يتم إنشاء "عنق الزجاجة" عندما يتم ترك فتحة بعرض عدة مئات من النانومترات بين الحاجزين، وهي تعمل بشكل مشابه للساعة الرملية: كلما اتسعت الفتحة، زاد عدد الإلكترونات التي تعبر الحاجز، مما يعني زيادة موصلية الجهاز. يتم التحكم في حجم الفتحة من خلال الجهد المطبق على البوابات (Vg): كلما انخفض الجهد، زاد الكسب وارتفعت الموصلية. تعمل هذه الميزة على تحويل QPC إلى مفتاح إلكتروني صغير.

وكما ذكرنا، في نظام بهذا الحجم، تعمل قوانين فيزياء الكم. ووفقا لنظرية الكم، فإن تيار الإلكترونات الذي يمر خلال عملية التحول له طابع موجى (يشبه شعاع الضوء). ونتيجة لذلك، فإن مستويات الطاقة في النظام ليست مستمرة ولكنها تتغير في "القفزات". ينتقل النظام إلى مستوى طاقة جديد في كل مرة يصل فيها عرض الفتحة إلى قيمة تمثل مضاعفًا لا يتجزأ من الطول الموجي للإلكترونات. هذه الظاهرة، التي تسمى تكميم مستويات الطاقة، تعني أن الموصلية الكهربائية لـ QPC لا تتغير بشكل مستمر مع تغير جهد البوابة، ولكنها تتميز بخطوات ذات ارتفاع موحد تحمل علامة G0. وقد وجد علماء الفيزياء النظرية أن هذه الكمية هي كمية عالمية تعتمد فقط على الثوابت الأساسية في الطبيعة: شحنة الإلكترون e، وثابت بلانك h حسب المعادلة: G0 = 2e2/h. لقد أثبتت التجارب صحة التنبؤ النظري، ولكن مع تغيير واحد: ظهرت فيها خطوة إضافية غير مفسرة، تساوي تقريبًا 0.7G0. وقد لوحظت هذه الظاهرة، التي أطلق عليها اسم "الشذوذ 0.7"، لأول مرة في عام 1988، لكنها ظلت حتى وقت قريب واحدة من الألغاز المركزية التي لم يتم حلها في هذا المجال.

اقترح البروفيسور يجال مئير، عالم الفيزياء النظرية من جامعة بن غوريون، وزميله البروفيسور نيد فينغرين من جامعة برينستون، حلاً قبل بضع سنوات. لقد جادلوا بأن إلكترونًا واحدًا محصورًا في عنق الزجاجة QPC يطرد الإلكترونات الأخرى ويسبب درجة أولى أقل من المتوقع. وتنبأت النظرية بأن العزم المغناطيسي المصاحب للإلكترون المحصور يغير موصلية النظام عند درجات حرارة منخفضة - وهي ظاهرة تعرف باسم "تأثير كوندو". أثبتت التجارب التي أجراها البروفيسور تشارلز ماركوس ومجموعته في جامعة هارفارد صحة نظرية ماير ووينغرين، ولكن لا يزال من الضروري شرح كيفية التقاط الإلكترون، الذي كما نعلم شحنته سالبة، في المقام الأول، على وجه التحديد عند النقطة التي تم فيها تطبيق جهد كهربائي سلبي كان من المفترض أن يصد الإلكترون. وهذا مشابه لتكوين بركة من الماء على قمة التل.

قام مئير وطالبه في مرحلة ما بعد الدكتوراه الدكتور توماس ريتز مؤخرًا بنشر شرح لهذه الظاهرة في مجلة Nature المرموقة. أظهر مير وريتز أنه إذا أخذت في الاعتبار الطبيعة الموجية لجميع الإلكترونات في النظام والتفاعلات بينها، تجد أنه عندما ينفتح "عنق الزجاجة"، فإن إجمالي الطاقة عند نقطة الاتصال سيكون أقل على وجه التحديد إذا كان هناك الإلكترون محاصر بالفعل هناك. وبذلك أثبت مئير وريتز صحة حل اللغز. والآن جاء دور التجارب مرة أخرى، وهناك بالفعل أدلة غير مباشرة على صحة الحل النظري.

قد تكون QPC عنصرًا أساسيًا في إنشاء "أجهزة الكمبيوتر الكمومية" - أحد الاتجاهات البحثية الشائعة اليوم في مجال الإلكترونيات النانوية، والتي إذا تحققت ستحدث ثورة في مجال الحوسبة. قد يؤدي تفاعل الإلكترون المحتجز في QPC مع الإلكترونات الأخرى إلى تعطيل الحسابات ويتسبب في فقدان النظام للذاكرة الكمومية التي يعتمد عليها. يوفر العمل النظري لمئير وريتز للباحثين الأدوات اللازمة لفهم الظاهرة والتعامل معها. مثل هذا التعاون هو جوهر العلم: فالمنظرون يتوصلون إلى أفكار؛ يقوم الباحثون التجريبيون باختبارهم في المختبر؛ تكشف نتائج التجارب عن مشكلات تتطلب حلولًا نظرية جديدة يتم التحقق منها أيضًا (أو لا) في المختبر؛ والمعرفة المتراكمة بمثابة أساس لمزيد من البحث والتطبيقات العملية.