باستخدام نبضات الليزر القوية والأشعة السينية، نجح باحثون من جامعة هارفارد ومعهد شيرير في كسر التناظر الإلكتروني واحتجاز حالة كمية طويلة الأمد - وهي خطوة يمكن أن تؤدي إلى اختراقات في تخزين المعلومات والأجهزة البصرية الإلكترونية.
تثبيت الحالات الكمومية العابرة باستخدام الضوء
تُحدث نبضات الليزر تغيرات إلكترونية في مادة من الكوبرات تُسمى "السلم"، ما يُنشئ حالات كمية مستقرة تدوم ألف مرة أطول من المعتاد. باستخدام نبضات ضوئية مُضبوطة وتقنيات أشعة سينية متقدمة، تمكن العلماء من خلق حالات كمية طويلة الأمد في مادة أكسيد النحاس - حالات كان يُعتقد سابقًا أنها عابرة، لا تدوم سوى جزء من تريليون من الثانية.
يتيح هذا الاختراق للإلكترونات النفق والانحصار في تكوين جديد، كاشفًا عن رؤى نادرة في التناظر الإلكتروني. يفتح هذا الاكتشاف الباب أمام تقنيات ثورية مثل الأجهزة البصرية الإلكترونية وتخزين المعلومات الكمومية.
اكتشاف القوى الكمومية الخفية باستخدام الضوء
تتميز بعض المواد بخصائص كمية استثنائية قد تُمهد الطريق لجيل جديد من التقنيات، بدءًا من الموصلات عالية الكفاءة ووصولًا إلى البطاريات القوية. لكن هذه الخصائص كامنة في حالتها الطبيعية، ويجب الكشف عنها بدقة.
تتضمن إحدى الطرق التعرض لنبضات ضوئية قصيرة للغاية، مما يُعطّل التفاعلات بين الذرات والإلكترونات، مما يسمح بظهور خصائص كمية خفية لحظيًا. لكن هذه الحالات تختفي على الفور تقريبًا - عادةً في غضون جزء من تريليون من الثانية - مما يجعل دراستها أو استخدامها عمليًا أمرًا بالغ الصعوبة.
في حالات نادرة، تستمر هذه الحالة لفترة أطول قليلاً، ولكن أسباب ذلك غير مفهومة جيدًا ولا توجد طريقة واضحة لاستعادة التأثير.
الآن، تمكن باحثون في جامعة هارفارد ومعهد بول شيرر (PSI) في سويسرا من إطالة عمر الحالة الكمومية إلى بضعة نانوثانية - أي ألف مرة أطول من المعتاد - عن طريق ضبط التناظر الإلكتروني بدقة في مادة أكسيد النحاس. وقد حققوا ذلك باستخدام ليزر الأشعة السينية القوي SwissFEL، الذي أتاح إثارة وتسجيل السلوك غير المعتاد.
سلالم كوبرات: ملعب كمي بسيط
المركب المدروس، Sr14Cu24O41 - وهو سُلَّمٌ من الكوبرات - أحادي البعد تقريبًا، بوحدتين هيكليتين: سُلَّمٌ وسلاسلٌ من النحاس والأكسجين. يُتيح هذا التركيب البسيط منصةً مُيسَّرةً لفهم الظواهر الفيزيائية المُعقَّدة التي تحدث أيضًا في الأنظمة ثلاثية الأبعاد.
ويقول الفيزيائي ماتيو ميترانو من جامعة هارفارد، الذي قاد الدراسة: "هذه المادة تشبه ذبابة الفاكهة لدينا - وهي نموذج مثالي لدراسة الظواهر الكمومية العامة".
خدعة إلكترونية دون تغيير البنية
لتحقيق الاستقرار في حالة عدم توازن مطولة، يمكن حبس المادة في "بئر طاقة" يصعب الخروج منه. لكن هذا قد يُسبب انتقالًا طوريًا - وهو تغيير في البنية الجزيئية للمادة - وهو ما أراد الباحثون منعه.
أوضح ميترانو: "حاولنا فهم ما إذا كان استقرار هذا الوضع ممكنًا فقط من خلال التلاعبات الإلكترونية". وهكذا، اقتُرح حل بديل.
تشتت الأشعة السينية غير المرنة المحددة زمنيًا (tr-RIXS)
قام الباحثون بتشغيل تقنية tr-RIXS في محطة Furka النهائية في SwissFEL، حيث تم الكشف عن أسرع العمليات الإلكترونية التي تملي الحالة غير المستقرة.
كسر التماثل لاحتجاز الشحنة
في هذا المركب، تُحمّل السلاسل بشحنة إلكترونية بينما تكون السلالم شبه فارغة. في حالة التوازن، يمنع التماثل الإلكتروني انتقال الشحنة بينها. تُكسر نبضة ليزر دقيقة هذا التماثل، وتفتح انتقالًا كميًا من السلاسل إلى السلالم.
يقول ميترانو: "يشبه الأمر صنبورًا يُفتح ويُغلق". بعد انتهاء النبضة، تُغلق القناة بين الوحدات، ويُحاصر النظام في حالة كمية طويلة الأمد، مما يسمح للباحثين بدراسة خصائصه.
تسجيل حركة الإلكترونات
وثّقت نبضات الأشعة السينية شديدة وقصيرة للغاية من SwissFEL تشكّل الحالة شبه المستقرة. وباستخدام tr-RIXS، رصد الباحثون التطورات المغناطيسية والكهربائية والمدارية آنيًا، وهو أمرٌ يتعذر تحقيقه باستخدام تقنيات أخرى.
يوضح إيليا رازولي، رئيس محطة فوركا: "يمكننا التركيز على الذرات المسؤولة عن تحديد خصائص المادة". كانت هذه القدرة أساسية لفهم حركة الإلكترونات الناتجة عن الضوء. ويضيف هاري بادما، باحث ما بعد الدكتوراه: "لقد رصدنا الحركة في مقاييسها الزمنية فائقة السرعة واكتشفنا عدم الاستقرار".
اختراق نحو الأجهزة الكمومية
تُقدم هذه التجربة، وهي الأولى من نوعها في فوركا، رؤىً جديدة حول ديناميكيات الطاقة والحركة للمواد المُثارة. وقد حُدِّثَت المنشأة منذ ذلك الحين لتحسين دقة tr-RIXS، وهي جاهزة لدراسة إثارات جديدة، مثل اهتزازات الشبكة.
ويختتم رازولي قائلاً: "كان هدف التجربة هو إظهار أنواع الأبحاث الممكنة، والآن أصبحت المحطة أفضل".
نحو الأجهزة الكمومية وتخزين المعلومات
يمثل هذا البحث نقلة نوعية في مجال التحكم بالمواد الكمومية غير المتوازنة. فهو يفتح آفاقًا جديدة لابتكار مواد ذات وظائف قابلة للضبط، وأجهزة بصرية إلكترونية فائقة السرعة، ومحولات إشارات كهربائية ضوئية، وهي أمور بالغة الأهمية للاتصالات الكمومية والحوسبة الفوتونية. كما يُمهد الطريق لتخزين البيانات غير المتطايرة في حالات كمية يتحكم فيها الضوء.
للمادة العلميةhttps://www.nature.com/articles/s41563-025-02254-2
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
