لأول مرة، وجد باحثون من الجامعة العبرية بقيادة البروفيسور رونان رابابورت، بالتعاون مع البروفيسور مكسيم خوداس ومعاونين من جامعة برينستون في الولايات المتحدة الأمريكية، دليلا على وجود سائل كمي مستقر يعتمد على "الإكسيتونات" (مثل جسيمات مكونة من إلكترونات في بلورة)، وقاموا بتطوير نموذج نظري يفسر هذه الظاهرة. يغير هذا الاكتشاف النموذج القديم القائل بأن سوائل الإلكترون الباردة من هذا النوع لا تولد سائلًا فائقًا مستقرًا. بفضل تلك الجسيمات الشبيهة بالجسيمات، من الممكن إنشاء سائل كمومي على شريحة والتحقق مما إذا كان يتصرف كـ "سائل فائق الميوعة"، وبالتالي في المستقبل بناء أجهزة استشعار تستخدم بشكل كبير في القياسات الحساسة وحتى المساعدة في الاكتشاف. من المادة المظلمة
لأول مرة، وجد باحثون من الجامعة العبرية بقيادة البروفيسور رونان رابابورت، بالتعاون مع البروفيسور مكسيم خوداس وشركاء من جامعة برينستون في الولايات المتحدة الأمريكية، أدلة على وجود سائل كمي مستقر يعتمد على "الإكسيتونات" (مثل جسيمات مكونة من إلكترونات في بلورة)، وقاموا بتطوير نموذج نظري يفسر هذه الظاهرة. يغير هذا الاكتشاف النموذج القديم القائل بأن سوائل الإلكترون الباردة من هذا النوع لا تولد سائلًا فائقًا مستقرًا. بفضل تلك الجسيمات الشبيهة بالجسيمات، من الممكن إنشاء سائل كمي على شريحة والتحقق مما إذا كان يتصرف "كسائل فائق الميوعة"، وبالتالي بناء أجهزة استشعار في المستقبل تُستخدم بشكل كبير في القياسات الحساسة وحتى المساعدة في اكتشاف المادة المظلمة.
الاحتكاك هو ظاهرة لا مفر منها تقريبا في الطبيعة. تميل حركة الأسطح أو السوائل الدوامة أو تدفق الشحنات إلى التباطؤ وفقدان الطاقة للحرارة نتيجة انحناء المادة واحتكاكها ببيئتها. وعلى الرغم من الإلمام العميق بمثل هذه الظواهر، فقد علمت الطبيعة العلماء أن الظروف القاسية قد تنتج ظواهر تتعارض مع الحدس الأساسي. بفضل الاكتشافات التي بدأت مع أينشتاين، تظهر ميكانيكا الكم أنه عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، تفقد المواد الخاصة خاصية الاحتكاك وتسمح للطاقة بالتدفق من خلالها دون أن تفقد الحرارة. ونتيجة لذلك، فإنها تعبر عن خصائص "فائقة" فريدة من نوعها تقضي على المقاومة الكهربائية للمادة أو لزوجة السائل. إن الظاهرة الكمومية التي أثارت اهتمام الباحثين لعقود من الزمن، تسفر عن أبحاث غنية في فهم الظواهر الفيزيائية للعديد من الأجسام، وربما حتى فك طبيعة المادة المظلمة. وأمام المستوى الأكاديمي، قد يؤدي البحث العلمي إلى اختراقات تكنولوجية لصالح قياسات دقيقة وتوفير هائل في الطاقة.
لكي يتمكن العلماء والصناعيون من البحث عن الخصائص "الفائقة" للمواد والاستفادة منها، فإنهم بحاجة إلى القدرة على معالجتها وجعلها سهلة الاستخدام. والأمل التكنولوجي هو خلق سائل داخل شريحة إلكترونية بحيث يمكن التحكم في تدفقه، ويمكن استخدامه في الأجهزة الإلكترونية الدقيقة، ويمكن مراقبة خصائصه تحت تأثيرات البيئة. أحد الاحتمالات لإنشاء مثل هذه الشريحة هو بمساعدة الإكسيتونات الشبيهة بالجسيمات التي تعبر عن خصائص السائل الكمي عند درجات حرارة منخفضة. المشكلة في مثل هذه الأنظمة هي أن الإكسيتونات ليست جسيمات مستقرة ولا تتواجد إلا لجزء قصير من بضعة أجزاء من المليار من الثانية. إن استخدام الإكسيتونات لإنتاج هذا السائل الكمي المستقر بمرور الوقت يعتبر تحديًا علميًا وتكنولوجيًا لسنوات. منذ حوالي عقد من الزمن، نُشرت فكرة نظرية رائدة تزعم إمكانية وجود حالة من السائل الكمي المبني على الإكسيتونات "المظلمة". وتسمى هذه الإكسيتونات داكنة لأنها غير قادرة على بعث الضوء عندما تختفي من المادة (على عكس الإكسيتونات "المضاءة" التي تبعث الضوء). تسمح الخاصية الكمومية للإكسيتونات المظلمة بالوجود لفترة أطول بكثير من تلك القادرة على انبعاث الضوء. وسرعان ما تحطم هذا الأمل، لأن النماذج النظرية الأحدث تنبأت بأن السائل الكمي الداكن حساس وهش للغاية لدرجة أنه يكاد لا يوجد في المختبر. تنتج الهشاشة من الاصطدامات بين الجزيئات الموجودة في السائل الكمي والتي تغير الإكسيتون بسرعة من "مظلم" إلى "مشرق".
لم يعتقد المجتمع العلمي أنه يمكن بالفعل التنبؤ بوجود سائل كمي مستقر في مثل هذا النظام. في دراسة نشرت مؤخرا من قبل باحثين من الجامعة العبرية وشركائهم من جامعة برينستون في المجلة العلمية "وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم" وقد لوحظ وجود أدلة على وجود السائل الكمي القائم على الإكسيتون في استقرار وكثافة أكبر بعدة مراتب من التوقعات النظرية. وأوضح الباحثون وجود السائل الفائق المستقر بفضل التفاعلات طويلة المدى، على عكس النظرية التقليدية التي تقول إن الإكسيتونات تؤثر على بعضها البعض في التفاعلات قصيرة المدى، أي فقط عندما تكون قريبة جدًا. كما قدم الباحثون تفسيرًا نظريًا لهذه الظاهرة المدهشة - يقول البروفيسور رونين رابابورت: "استندت التنبؤات القديمة إلى ظاهرة قوية تتمثل في تصادمات تغير الدوران التي تؤثر على تركيز الإكسيتونات المظلمة والخفيفة، ولكن في الجديد أنشأنا جسيمات خاصة تشبه الجسيمات مع تفاعلات بعيدة المدى، وأظهرنا أن مثل هذه التفاعلات، حيث تشعر الجسيمات وتتنافر كهربائيًا من مسافات كبيرة، مما يتسبب في انخفاض كبير في الاصطدامات الناتجة عن تغيرات الدوران، وبالتالي تحقيق الاستقرار بشكل كبير الحالة المظلمة.
والآن بعد أن أظهروا أنه من الممكن إنشاء سائل كمي مستقر على شريحة، فإن الخطوة التالية هي قياس خصائص "المائع الفائق" للنظام بشكل مباشر والاستفادة من موصلية وموضع السائل الفائق للاستخدامات الصناعية في نقل المعلومات، والنقل الفعال للطاقة، وإجراء قياسات دقيقة لتحديد واكتشاف الظواهر بعيدة المنال في الفيزياء مثل المادة المظلمة على سبيل المثال. تمكن مختبر البروفيسور رابابورت في الماضي من إثبات القدرة على التحكم في التدفق المعقد لسوائل الإكسيتون على عدد من الأجهزة بمساعدة المعالجات الكهربائية والضوئية والصوتية، وبالتالي دفع عملية إنشاء هذه الأجهزة وأجهزة الاستشعار إلى خطوة أخرى.
ويضيف يوتام مازوز-هارباز، طالب الدكتوراه في المجموعة البحثية للبروفيسور رونان رابابورت: "إنه أمر مثير للغاية. على مدار عدة سنوات، جمعنا نحن وباحثون آخرون من جميع أنحاء العالم نتائج تجريبية لم نكن نعرف تمامًا كيفية تفسيرها، والتي بدت أحيانًا متناقضة مع بعضها البعض. ويبدو أن هذه الدراسة تقدم أخيرًا تفسيرًا ثابتًا وموحدًا لجميع هذه الملاحظات. كما يلقي ضوءاً جديداً على ما ينتظرنا لاحقاً في الرحلة نحو الفهم الكامل لأنظمة من هذا النوع وتسخيرها لاستخدامات في تقنيات المستقبل".
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
תגובה אחת
ممتاز!
يسعدني أن أسمع عن الأبحاث الرائدة في الصناعة الإسرائيلية، فليس من قبيل الصدفة أن يُقال عنا أننا دولة الشركات الناشئة والرائدة على مستوى العالم.