أخيراً! ينشئ الفيزيائيون حالة كمومية غريبة للمادة تعمل في درجة حرارة الغرفة

يمكن لقوانين الفيزياء على المستوى الكمي أن تتحرر من الحدود القياسية للمواد الصلبة والسوائل والغازات، وقد لاحظ الباحثون للتو حالة كمومية غريبة للمادة – وهي طريقة معينة للجسيمات لتنظيم نفسها والتصرف.

والأكثر من ذلك، أنه تم تصميمه في درجة حرارة الغرفة، دون التبريد الشديد الذي تتطلبه الحالات الكمومية عادةً.

وتم نشر نتائج التجارب التي أجراها فريق دولي من الباحثين في تقدم العلوم. إنهم يشيرون إلى الطريق إلى استخدامات أكثر عملية لتكنولوجيا الكم في أنظمة الحوسبة وأجهزة الاستشعار المتقدمة.

جزء منها سائل وجزء صلب، تم إنشاء الحالة الكمومية باستخدام بنية صغيرة لاحتجاز الضوء تسمى تجويف صغير.

باعتباره اختبارًا كميًا، فإن الإعداد به الكثير من الأمور: فهو غير مكلف نسبيًا، ويمكن التحكم فيه عبر الفولتية، ولا يحتاج إلى ثلاجة مبردة.

“يمكن أن تعمل تجاويفنا الدقيقة من البلورات السائلة حتى عند درجات حرارة تقترب من 60 درجة مئوية (140 درجة فهرنهايت).” يقول الفيزيائي فيكتور بيسيك من الجامعة العسكرية للتكنولوجيا في بولندا.

المصطلح التقني لهذه الحالة الكمومية هو مادة صلبة فائقة في مكثف بوز-آينشتاين إكسيتون-بولاريتون، والتي ربما تحتاج إلى بعض التحلل بالنسبة لأولئك منا الذين ليسوا فيزيائيين كميين.

هناك حالتان من الحالات الموجودة في عالم الكم هما الموائع الفائقة (سائل يمكن أن يتدفق دون مقاومة) والمواد الصلبة الفائقة (الموائع الفائقة ولكن ذات بنية بلورية منتظمة ومتكررة بدلاً من البنية السائلة السائبة). هذا هو الجزء فائق الصلابة.

الإكسيتون-بولاريتون هو شبه جسيم هجين (جسيمات متعددة تعمل كجسيم واحد)، يجمع بين الضوء والمادة. وأخيرًا، مكثف بوز-آينشتاين (BEC) هو المكان الذي تصبح فيه الجسيمات أو أشباه الجسيمات المتعددة كيانًا كميًا واحدًا.

لإنتاج هذه الحالة الكمومية، قام الباحثون بدمج بلورة سائلة (يمكن التحكم فيها عن طريق الجهد الكهربي) وشبه موصل عضوي (يتفاعل بقوة مع الضوء). ثم تم استخدام نبضات الليزر لتوفير الطاقة للتفاعل الكمي.

ومع ذلك، فإن السلوك الذي كان العلماء يبحثون عنه كان قصير الأمد نسبيًا، حيث تحللت المواد بمرور الوقت، حيث تفاعلت أشباه الموصلات مع البلورة السائلة.

“كان علينا أن نخطط لتسلسل التجارب بالكامل مسبقًا” يقول الفيزيائي مارسين موزينسكي، من كلية مدينة نيويورك. “إن تكرار القياس يعني تصنيع عينة جديدة تمامًا.”

تم التحقق من صحة ما كان الباحثون ينظرون إليه مع كل نبضة ليزر متتالية. تتشكل المكثفات في كل مرة، حيث تصطف خطوطها – الجزء الصلب الشبيه بالبلور من المادة الصلبة الفائقة – في أماكن مختلفة قليلاً مع كل تحديث.

قد لا يبدو هذا كثيرًا، لكنه دليل على الطبيعة المتأصلة لهذه الحالة الكمومية، وليس أي شيء يتأثر بالتجويف الصغير الخارجي.

“هذا مثال كتابي لكسر التماثل التلقائي،” يقول عالم الفيزياء غيوم مالبويش، من المركز الوطني الفرنسي للبحث العلمي (CNRS).

“تنبأت النظرية بأن المادة الصلبة الفائقة يمكن أن تختار من بين عدة حالات متكافئة، وهذا بالضبط ما لاحظناه.”

في حين أن الجسيمات الفردية التي أنتجها الباحثون لم تدوم إلا لأجزاء من الثانية، إلا أنها كانت كافية للحصول على الملاحظات التي يحتاجونها. تم اختبار عينات متعددة بنفس النتائج، والتي تم دعمها أيضًا بنماذج المحاكاة الحاسوبية.

قد تتضمن طرق تطوير التجارب بشكل أكبر العمل على طرق لجعل التفاعلات الأساسية تستمر لفترة أطول، والتحقيق بمزيد من التفصيل في الدوامات الكمومية التي ظهرت – وهي عيوب في الأنماط الشريطية التي تشير إلى سلوك السوائل الفائقة.

في النهاية، هذا يعني طريقة أسهل لدراسة السلوك الكمي في السوائل الفائقة والمواد الصلبة الفائقة، دون التكلفة الإضافية والتعقيد الناتج عن التبريد الشديد – خاصة عندما يتعلق الأمر بالاقتران المداري الموضح هنا (الربط بين استقطاب الضوء والحركة الذي خلق ترتيب المواد فائقة الصلابة).

تقريبًا أي تأثير كمي يتضمن الضوء، بما في ذلك تلك المتعلقة برقائق الكمبيوتر وأجهزة الاستشعار المتقدمة، يمكن أن يستفيد بشكل أكبر في المستقبل.

“يفتح عملنا آفاقًا جديدة للسوائل الكمومية في فيزياء الضوء في ظل وجود اقتران مدار الدوران وما بعده.” يكتب الباحثون في ورقتهم المنشورة.

وقد تم نشر البحث في تقدم العلوم.

تم التحقق من صحة هذه المقالة بواسطة ريبيكا داير وتم تحريره بواسطة ريبيكا داير. وبينما نفخر بعمليتنا، فإننا بشر فقط. إذا اكتشفت خطأً، يرجى اعلامنا.