قفزة كمومية: فيزيائيون يحققون تحولًا عكسيًا من المائع الفائق إلى الجامد الفائق للمرة الأولى

الولايات المتحدة - وكالة أنباء إخباري

قفزة كمومية: فيزيائيون يحققون تحولًا عكسيًا من المائع الفائق إلى الجامد الفائق للمرة الأولى

في تطور رائد يدفع حدود ميكانيكا الكم وفيزياء المادة المكثفة، نجح فريق دولي من الفيزيائيين في رصد تحول طوري عكسي من حالة المائع الفائق (superfluid) إلى حالة الجامد الفائق (supersolid)، والعودة مرة أخرى. يمثل هذا الإنجاز غير المسبوق، الذي ورد تفصيله في دراسة حديثة نُشرت في مجلة Nature المرموقة في 28 يناير، المرة الأولى التي يُشهد فيها مثل هذا التحول الطبيعي والعكسي، وتحديدًا باستخدام نوع من شبه الجسيمات المعروفة بالإكسيتونات (excitons). يفتح هذا الاكتشاف آفاقًا جديدة تمامًا لفهم ومعالجة حالات المادة الغريبة في ظل الظروف القاسية، مما قد يحدث ثورة في مجالات تتراوح من الحوسبة الكمومية إلى أبحاث الفيزياء الأساسية.

يرتكز الإنجاز الذي حققه فريق البحث على الإكسيتونات، وهي شبه جسيمات رائعة تتكون عندما يرتبط إلكترون وفجوة إلكترونية معًا. من خلال التحكم الدقيق في الظروف البيئية، تمكن العلماء من توجيه هذه الإكسيتونات عبر سلسلة من التغيرات الطورية التي تتحدى الفهم التقليدي للمادة. بينما تم التنظير لوجود الموائع الفائقة والمواد الجامدة الفائقة، وفي بعض الحالات، تم إنشاؤها تجريبيًا، فإن القدرة على إحداث تحول تلقائي وعكسي بين هاتين الحالتين الغريبتين للغاية تمثل قفزة كبيرة إلى الأمام. هذا يشبه مشاهدة الماء يتجمد تلقائيًا إلى جليد ثم يذوب مرة أخرى إلى سائل، ولكن على المستوى الكمومي بخصائص أكثر تعقيدًا بكثير.

لتقدير حجم هذا الاكتشاف، من الضروري فهم الموائع الفائقة والمواد الجامدة الفائقة. الموائع الفائقة هي حالة من حالات المادة تظهر عندما يتم تبريد جسيمات معينة، مثل نظائر الهيليوم أو الإكسيتونات، إلى درجات حرارة أعلى بقليل من الصفر المطلق – النقطة التي يتوقف عندها كل حركة ذرية. على عكس السوائل التقليدية، تُظهر الموائع الفائقة لزوجة صفرية، مما يعني أنها يمكن أن تتدفق دون أي مقاومة من الاحتكاك. وعند تحريكها، فإنها تشكل دوامات مجهرية دائمة تُعرف باسم الدوامات الكمومية، وهي دليل على خصائصها الميكانيكية الكمومية الغريبة. إنها، في جوهرها، سوائل عديمة الاحتكاك قادرة على تحدي الجاذبية على ما يبدو والتدفق إلى أجل غير مسمى.

أما المواد الجامدة الفائقة، فهي حالة أكثر غموضًا للمادة. يُفترض وجودها عندما يتم تبريد الموائع الفائقة بشكل أكبر، وهي تمتلك خاصية التدفق عديم الاحتكاك المميزة للموائع الفائقة ولكنها تُظهر أيضًا بنية صلبة ومنظمة، تشبه إلى حد كبير الشبكة البلورية. تخيل مادة هي في نفس الوقت سائل مثالي وبلورة مثالية – مفهوم يتحدى الفهم البديهي. قبل هذه الدراسة، تم إنشاء مواد جامدة فائقة في المختبرات، أبرزها باستخدام ذرات الديسبروسيوم في عام 2021 ومن خلال رصد الدوامات الكمومية في مادة جامدة فائقة في عام 2024. ومع ذلك، اعتمدت هذه التجارب السابقة عادةً على معدات وطاقة خارجية لإجبار الجسيمات على الدخول في شبكة منظمة، مما أدى إلى فرض حالة الجامد الفائق. يتميز البحث الجديد بإظهار تحول طوري طبيعي وتلقائي.

صرح كوري دين، الفيزيائي بجامعة كولومبيا والمؤلف المشارك في الدراسة الرائدة: "للمرة الأولى، رأينا مائعًا فائقًا يخضع لتحول طوري ليصبح ما يبدو أنه جامد فائق". هذه الملاحظة حاسمة لأنها تشير إلى آلية أساسية لتكوين المواد الجامدة الفائقة لا تتطلب سقالات خارجية، مما يؤكد التوقعات النظرية طويلة الأمد.

تضمن الإعداد التجريبي تصميمًا بسيطًا ومبتكرًا بشكل ملحوظ. وضع الباحثون صفيحتين رفيعتين للغاية من الجرافين – وهي مادة تتكون من طبقة واحدة من ذرات الكربون – على مقربة شديدة من بعضهما البعض. ثم تم تطبيق مجال مغناطيسي قوي، وتم تبريد النظام بأكمله لتكوين "حساء" من الإكسيتونات. عندما تم تبريد درجة الحرارة بدقة إلى ما بين 2.7 و 7.2 درجة فهرنهايت (1.5 إلى 4 درجات مئوية) فوق الصفر المطلق، تجمعت الإكسيتونات لتشكل مائعًا فائقًا. والأهم من ذلك، عندما تم تبريد النظام بشكل أكبر، تحولت الإكسيتونات إلى طور جديد غامض عازل للكهرباء، والذي يشتبه فريق البحث بقوة في أنه حالة الجامد الفائق المنظرة. وقد عززت القدرة على عكس هذه العملية عن طريق تسخين النظام قليلًا استنتاجاتهم بشكل أكبر.

يحمل هذا الاكتشاف تداعيات عميقة على الفيزياء الأساسية. فهو يوفر منصة قوية لدراسة التفاعل بين ميكانيكا الكم والديناميكا الحرارية وبنية المواد في البيئات القاسية. علاوة على ذلك، فإن فهم كيفية انتقال هذه الحالات الغريبة بشكل طبيعي يمكن أن يمهد الطريق لتطبيقات تكنولوجية جديدة. على سبيل المثال، يمكن أن يلهم التدفق عديم الاحتكاك للموائع الفائقة والمواد الجامدة الفائقة أساليب جديدة لنقل الطاقة أو الحوسبة الكمومية، حيث يكون تقليل التبديد أمرًا بالغ الأهمية. توفر الطبيعة الطبيعية والعكسية لهذا التحول عدسة جديدة يمكن للعلماء من خلالها استكشاف المناظر الطبيعية المعقدة للمادة الكمومية، مما قد يكشف عن ظواهر وخصائص جديدة تمامًا لم تُتصور بعد.

وكالة أنباء إخباري