البروفيسور رونان رابابورت، من مركز المعلومات الكمومية في الجامعة العبرية، أحد قادة البحث: "هذا مشروع بدأ كفكرة نظرية لنا لم نكن متأكدين من إمكانية تطبيقها على الإطلاق، وبعد سنوات قليلة تمكنا من أن نشهد ظاهرة جديدة لا نفهمها الآن بشكل كامل من الناحية النظرية".
يبحث الفيزيائيون في جميع أنحاء العالم، من منظرين وتجريبيين على حد سواء، عن تقنيات جديدة لاكتشاف ووصف الظواهر غير المعروفة في الطبيعة، بما في ذلك حالات التجميع الجديدة. وفي مختبر البروفيسور رونين رابابورت، رئيس القسم في معهد راكيه للفيزياء والشريك في مركز المعلومات الكمومية في الجامعة العبرية، بالتعاون مع باحثين آخرين من النمسا وألمانيا، أظهر أنه بمساعدة الإكسيتونات (نوع يشبه الجسيمات) في تفاعل قوي من الممكن دراسة أنظمة الجسم المتعددة وبمساعدتها التنبؤ بحالات التجميع الجديدة في المستقبل. وقد نُشر مؤخرًا مقال حول هذا الموضوع في مجلة "Physical Review X".
إلى جانب حالات التجميع الأربع المعروفة (الغاز والسائل والصلب والبلازما)، تظهر حالات التجميع الأخرى مثل السوائل الفائقة والموصلات الفائقة في الطبيعة في ظل ظروف قاسية عند درجات حرارة منخفضة. وهي ظواهر تم اكتشافها في الماضي بفضل نظرية الكم وتم التنبؤ بها في العديد من المختبرات حول العالم. تعتبر الحالات "السوبر" فريدة من نوعها لأنها تتشكل عند درجات حرارة منخفضة للغاية (قريبة من الصفر المطلق، -273 درجة مئوية) وتسمح للطاقة بالتدفق من خلالها دون فقدان. على سبيل المثال، يتم استخدام الموصل الفائق في مجموعة متنوعة من التقنيات مثل التصوير بالرنين المغناطيسي وأنظمة الاستشعار والمسرعات الكبيرة في العالم.
أظهر البحث الذي أجراه البروفيسور رابابورت وشركاؤه أنه من الممكن تحريك الإلكترونات داخل بنية طبقات من مادة، يبلغ سمك كل طبقة بضع ذرات فقط، لخلق تفاعل متبادل غير تافه: في حين أن الإلكترونات كلها مشحونة سالبًا و لذلك تتنافر دائمًا كهربائيًا، وفي النظام الجديد نجح الباحثون في إظهار أنه يمكن أيضًا جعل الإلكترونات تتجاذب مع بعضها البعض، على عكس الحدس المعتاد. مثل هذا المزيج من قوى التجاذب والتنافر بين الإلكترونات قد يساعد في المستقبل في إنشاء مادة إلكترونية فائقة الصلابة. لم تتم ملاحظة الأدلة على وجود مادة صلبة فائقة تجريبيًا إلا مؤخرًا في مختبرات في إيطاليا وألمانيا في تجربتهم المكونة من غازات من ذرات باردة قريبة من الصفر المطلق. تعتبر حالة التجميع فائق الصلابة حالة غريبة للغاية لأن الجزيئات التي تتكون منها تترتب في بنية دورية مستقرة من ناحية ولكنها يمكن أن تتدفق من مكان إلى آخر داخل المادة مثل السوائل الفائقة. وكما هو الحال مع حالات التجميع من العائلة "الخارقة"، لا يتم فقدان الطاقة في السائل لأنه يفتقر إلى اللزوجة. للتوضيح، إذا تم إنشاء تيار إيدي داخله، فسوف يستمر إلى الأبد. تعتبر الطريقة الجديدة للبروفيسور رونين رابابورت وشركائه واعدة لأنها ستسمح للباحثين والمهندسين بإنشاء شرائح داخلية "فائقة الصلابة" تُستخدم اليوم في تقنيات النخبة بدلاً من الأنظمة المعقدة للغازات الذرية، وبمستويات أعلى بكثير درجات الحرارة التي عمل بها الباحثون الذين سبقوهم (مليون مرة على الأقل). في المستقبل، ستمكن الأوضاع "الفائقة" من توفير الطاقة الكهربائية، وستمكن من بناء بطاريات قوية وستمنع تلوث الهواء غير الضروري.
ويشير البروفيسور رابابورت في هذا السياق إلى أنه: "كباحث، هذا العمل يثير اهتمامي كثيرًا. هذا المشروع بدأ كفكرة نظرية لنا لم نكن متأكدين من قابليتها للتطبيق على الإطلاق، وبعد سنوات قليلة تمكنا من أن نشهد ظاهرة جديدة لا نفهمها الآن بشكل كامل من الناحية النظرية. أعتقد أن هذه مجرد بداية لاكتشاف ثروة من الظواهر الغريبة التي لا تزال "مختبئة" في هذه المادة."
مادة صلبة فائقة تشكلت لفترة قصيرة
رابابورت: "لدينا البنية التحتية غير التافهة تمامًا لبدء النظر في الظواهر الغريبة في الأنظمة متعددة الجسيمات. منذ عدة سنوات، كان هناك بالفعل علماء يُزعم أنهم اكتشفوا الظاهرة في الهيليوم السائل عند درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق، ولكن بعد ذلك تبين أنها ظاهرة مختلفة. "
"هذا العام، هناك بالفعل دليل على وجود مادة صلبة فائقة الصلابة تشكلت لفترة قصيرة، في النظام الذري، ولكن في درجات حرارة شديدة البرودة. إحدى الخصائص المطلوبة للحالات الكمومية للمادة فائقة الصلابة هي أن الجسيمات تشكل تفاعلات غير متناحية تتضمن كلاً من التجاذب والتنافر. هذه مرحلة مثيرة للاهتمام للغاية، وقد خطونا خطوة مهمة في اتجاه بناء نظام اصطناعي يمكن من خلاله الوصول إلى هذه الحالة. وهي عبارة عن شريحة من أشباه الموصلات، وهي نفس المواد التي يتم بها تصنيع أجهزة الليزر والثنائيات والمكونات البصرية والإلكترونية الأخرى. ننتج في الشريحة "ذرات اصطناعية" - وهي في الواقع إلكترونات مثارة. نحن نتدفق الطاقة إلى الشريحة وهذه الطاقة تثير الإلكترونات من حالتها الأرضية إلى حالة أكثر إثارة، وضمن هذه الحالة تنتج نوعًا من أشباه الذرات تسمى الإكسيتونات - من كلمة الإثارة."
"يُسمى النظام الناتج حالة شبه جسيمية، أي إثارة متعددة الجسيمات للعديد من الإلكترونات، لكنه يتصرف عمليا مثل الذرة. إنها ليست ذرة حقيقية، بل هي إلكترونات من الذرات الموجودة داخل المادة ولكن في الحقيقة تتشكل سحابة من جزيئات الإلكترون عندما يتصرف كل منها مثل الذرة. يحتوي هذا النظام على اختلافات كبيرة مقارنة بالذرات الحقيقية لأن الجزيئات الموجودة فيه أخف بكثير - الكتلة أصغر بكثير، مما يعني أنها أيضًا أكبر بكثير. ويبلغ حجمها حوالي مائة مرة حجم الذرة العادية وكتلتها أصغر بعدة آلاف من المرات. وتصل إلى حالة فائقة السيولة - أي التكثيف عند درجات حرارة أعلى. فبدلاً من الوصول إلى نطاق درجة حرارة نانو كلفن، يمكننا الوصول إلى درجة حرارة تتراوح بين 2-1 درجة كلفن. لا تزال هذه درجة حرارة منخفضة جدًا، ولكنها أقل بكثير من أجزاء من الدرجة فوق الصفر المطلق. أقدر أنه سيكون من الضروري تجربة مواد مختلفة، وربما سيكون هناك بعض المواد التي يمكنها إثبات هذه الظاهرة حتى في درجة حرارة الغرفة".
"لا تزال أكثر سخونة، نسبيا، وأبسط بكثير من الذرات الحقيقية - التفاعلات أقوى بكثير، وبالإضافة إلى ذلك، نحن أيضا قادرون على ضغطها إلى حد كبير، وهو الوضع الذي لا يمكن فيه رؤية الظواهر مع الذرات يبدأ اكتشافها."
المرحلة الغريبة
"إن المادة الصلبة الفائقة هي مرحلة غريبة. عادة ما نكون معتادين على مرحلة المادة البلورية، وهذا يعني أن الذرات مرتبة. إذا كنت أعرف مكان وجود ذرة واحدة، فيمكنني معرفة مكان جميع الذرات الأخرى ويتم ترتيب الجزيئات بتناسق معين. ومن ناحية أخرى، لدينا مرحلة أخرى وهي مرحلة السوائل الفائقة. تكون جزيئات السوائل الفائقة في الحالة المعاكسة، فعندما يتم تبريد غاز الهيليوم إلى درجة حرارة منخفضة، تحصل على سائل فائق. تفقد الجزيئات ترتيبها المكاني الدقيق ويتم الحصول على مادة موحدة - يمكن أن تتدفق الجزيئات مثل السائل. ويسمى بالمائع الفائق لأنه يمكن أن يتدفق دون احتكاك، وهو ما لا يوجد في الحالة السائلة العادية. "
"الصلب - هذه مرحلة غير بديهية لأنها مزيج من الاثنين معًا. فمن ناحية، تكسر التماثل وترتب نفسها في نوع من البلورة، ولكن في البلورة لا شيء يتدفق على سطحها، فهي مادة صلبة والجزيئات الموجودة بداخلها لا تتحرك."
"ترتب الذرات نفسها في الفضاء، ولكن من ناحية أخرى هناك تدفق داخل المادة الصلبة. فمثلاً إذا كان هناك عيوب في المادة الصلبة، مثلاً إذا كانت الذرة مفقودة في مكان معين (الموضع 157 مثلاً)، فإننا نحصل على شبكة يوجد فيها عيوب. وفي المادة الصلبة، يمكن لهذه العيوب أن تتحرك داخل البلورة مثل الجسيم المتدفق، حيث أن هذه العيوب لا تواجه أي مقاومة (احتكاك). عندما يتحرك العيب من الموضع 157 إلى الموضع 158 فهذا يعني أن الذرة التي كانت في الموضع 158 قد انتقلت إلى الموضع 157. هذا الوضع الذي يمكن أن تتحرك فيه العيوب دون احتكاك يعني أن هناك ذرات في هذه المادة الصلبة يمكنها التحرك دون أي مقاومة. فالذرات التي تتحرك تتقدم كما في السائل وتحصل على مادة تنتظم وتكسر التماثل، وهو وضع غير موجود في السائل العادي، ولكن لا يزال هناك نقص في التماثل من حيث الموقع".
"ما تمكنا من القيام به هو إنتاج هذه الذرات الاصطناعية وإظهار أن لدينا الظروف الأساسية التي يمكن أن تسمح في المستقبل - في السنوات القادمة - بمراقبة الظواهر الكمومية مثل المواد الصلبة الفائقة. أردنا أن يكون هناك تفاعل غير تافه، يتضمن كلا من التنافر والجذب، بين الجزيئات، وتمكنا من القيام بذلك باستخدام طبقات رقيقة من الإلكترونات التي لها تفاعلات كهربائية.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
