تتصرف الإلكترونات مثل الفوتونات عندما تمر عبر بلورة مصنوعة من معدن البزموت
لاحظ فريق من الباحثين من مركز علوم وهندسة المواد بجامعة برينستون الإلكترونات تتحرك عبر بلورة من معدن البزموت الذي يعمل كضوء. تم نشر هذا الاكتشاف، الذي مولته مؤسسة العلوم الوطنية (NSF)، في مجلة Science المرموقة، ويمكن أن يؤدي إلى تطوير أنواع جديدة من الأجهزة الإلكترونية.
تنتقل الإلكترونات، أو جزيئات الكهرباء، عبر الهواء مثل كرات البيسبول. وبدلاً من ذلك، عندما يتحرك الإلكترون ضمن مجموعة منظمة ومنقوشة من البلورات، فإنه يتصرف بطريقة مختلفة تمامًا. تختلف المعادلات الأساسية التي تصف حركتها في البلورة كثيرًا عن تلك الخاصة بنموذج الكرة الطائرة الحرة. على سبيل المثال، في البزموت، المعادلات الأساسية لحركة الإلكترون تشبه تلك التي تصف سلوك الضوء. وعلى الرغم من أن الإلكترونات تتحرك داخل البلورة بسرعة أبطأ من سرعة الضوء، إلا أنها تتصرف كما لو كانت عديمة الكتلة، مثل الفوتونات، أصغر وحدات الضوء.
منذ حوالي عقد من الزمن، قام علماء الفيزياء النظرية بتمويل من المؤسسة بدراسة الإلكترونات المحصورة في هياكل ذات طبقات صناعية مصنوعة من أشباه الموصلات - المادة التي تُصنع منها الترانزستورات اليوم. وقدروا أن أنواعا جديدة من المواد الإلكترونية تحكمها قوانين ميكانيكا الكم ستظهر من الإلكترونات على الأسطح المختلفة المسؤولة عن حركتها. ويقدر العلماء أن بلورات البزموت ستظهر أيضًا مثل هذه الحالات الإلكترونية.
المجموعة من برينستون، بقيادة أستاذ الفيزياء ن. وضع فوان أونج بلورة من البزموت على شعاع منحني أو ناتئ، ثم وضع هذا الجهاز في مجال مغناطيسي قوي أعلى بمليون مرة من المجال المغناطيسي للأرض. في مثل هذا المجال المغناطيسي الضخم، تشوه الجهاز. تشير طريقة التشوه إلى نوع جديد ودقيق من المادة الموجودة في بلورة البزموت.
في بلورة واحدة من البزموت، غالبًا ما يتم تحديد الإلكترونات في ثلاثة "أودية" في صورة منظر طبيعي مجردة يستخدمها العلماء لتمثيل حالات الطاقة للإلكترونات في البنية البلورية. ومن خلال الفحص الدقيق لجهاز الالتواء، لاحظ الباحثون انتقالًا من الحالة التي "تفضل" فيها الإلكترونات الاستقرار في واد واحد إلى حالة تقسم فيها وقتها بالتساوي بين الوديان الثلاثة - وهو سلوك تحكمه القوانين الأساسية لميكانيكا الكم.
يقول أحد الباحثين: "هذه الحقيقة مثيرة لأنه تم التنبؤ بها ولكن لم يتم ملاحظتها من قبل، وفي النهاية قد تؤدي إلى طرق جديدة للتفكير في صناعات الكمبيوتر والإلكترونيات".
إلى جانب هذا البحث، تقدم نظرية الديناميكا الكهربائية مشهدًا متنوعًا وغنيًا للحالات الإلكترونية المحتملة لأشباه الموصلات، ويواصل الباحثون في جامعة برينستون هذه المغامرة. يومًا ما، يمكن أن تؤدي هذه الحالات الإلكترونية الجديدة للمادة إلى تطوير أجهزة إلكترونية فعالة وجديدة تستخدم مبادئ ميكانيكا الكم لإجراء حسابات سريعة للغاية واتصالات موثوقة.
تعليقات 4
لم أفهم المقصود بجملة "... الفوتونات، أصغر وحدات الضوء." دكتور نحماني؟
إنجاز جميل جدًا، ليس هناك شك في أنه سيكون خطوة أولى رائدة في العديد من المجالات - سيخبرنا الزمن بذلك، باستثناء التطورات في مجال الحوسبة/الإلكترونيات التي تدفع الفيزياء إلى الأمام قليلاً.
لم أفهم ما هو الفرق. تخضع كل أشباه الموصلات لقوانين ميكانيكا الكم.
إن شاء الله سيأتي "يوم واحد" قريباً في أيامنا هذه