علماء يتوصلون إلى حل لغز الكم الذي حيّر الفيزيائيين لعقود من الزمن

يعد تأثير كوندو أحد أهم التأثيرات في فيزياء الكم، حيث يصف التداخل الغريب الذي يمكن أن تحدثه الذرات المغناطيسية في المعادن. عادة، عندما تبرد المعادن، تصبح أفضل في توصيل الكهرباء، لأن انخفاض الطاقة يعني أن الإلكترونات يمكن أن تتدفق بسلاسة أكبر. أضف ذرة مغناطيسية أو اثنتين، وتحت درجة حرارة معينة (درجة حرارة كوندو)، تبدأ المقاومة الكهربائية في الارتفاع مرة أخرى. هذا هو تأثير كوندو، ونحن نعرف الكثير عنه بالفعل. ولكن في مجال الفيزياء أولاً، تمكن باحثون من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech) وجامعة ييل في الولايات المتحدة من تحديد التأثير بدقة في مادة حقيقية من خلال حسابات الفيزياء الأساسية. ويمثل العمل، المنشور في مجلة Science ، خطوة مهمة إلى الأمام. في السابق، كان على العلماء استخدام تجارب العالم الحقيقي ونماذج مبسطة لتحديد تأثير كوندو، دون الحصول على تنبؤات دقيقة مثل الطريقة الجديدة. لقد عرف العلماء عن تأثير كوندو منذ ثلاثينيات القرن العشرين – أن الشوائب المغناطيسية يمكن أن تسبب زيادة المقاومة الكهربائية عند درجات حرارة منخفضة. (المجال العام) يقول الفيزيائي جارنت تشان من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا: “من الممكن الآن التنبؤ بخصائص بعض المواد المعقدة من خلال العمليات الحسابية فقط دون الرجوع إلى التجارب”. ويعرف العلماء بالفعل أسباب تأثير كوندو. تتجمع الإلكترونات حول الشوائب المغناطيسية الموجودة في المعدن، مما يؤدي إلى إلغاء مغناطيسية الذرات وإعاقة التدفق الكهربائي في نفس الوقت. يقول تشان: “هذا هو توقيع تأثير كوندو، وهي إحدى خصائص الإلكترونات الموجودة في الشوائب التي تتفاعل مع الإلكترونات التي تنتقل عبر كتلة المعدن”. هذه هي تعقيدات تفاعلات الإلكترون في “مشكلة الأجسام المتعددة” هذه، حيث أنه من الصعب جدًا التنبؤ متى سيحدث الانقلاب في المقاومة لمجموعات مختلفة من المعادن والشوائب المغناطيسية. تتفاعل درجات الحرارة، ولفائف الإلكترون، والمغناطيسية جميعًا على مستويات صغيرة بشكل لا يصدق في هذه المواد مع ظهور تأثير كوندو. إنها تتجاوز قدرات حتى أقوى أجهزة الكمبيوتر العملاقة. وللتغلب على التحديات، اعتمد الباحثون نهجًا مبتدئًا (“من المبادئ الأولى”). لقد استعاروا تقنيات من الكيمياء لتكوين نموذج كامل لذرة مغناطيسية واحدة، دون تبسيط، كما لو كانت جزيءًا أكبر. وبمساعدة بعض الاختصارات الرياضية والكثير من وقت الكمبيوتر، قاموا بعد ذلك بتطبيق القوانين الأساسية لفيزياء الكم على هذه الذرة المغناطيسية النموذجية حديثًا، وكرروا الحسابات مرارًا وتكرارًا لتضييق نطاق توقعاتهم. إطار الحدود = “0” سماح = “مقياس التسارع؛ التشغيل التلقائي؛ الكتابة في الحافظة؛ الوسائط المشفرة؛ جيروسكوب؛ صورة داخل صورة؛ web-share” Referrerpolicy=”strict-origin-when-cross-origin”allowfullscreen> من خلال مقارنة القياسات الكمية للنمذجة مع القياسات المعملية لتأثير كوندو، أثبت الباحثون المستوى العالي من دقة نظام التنبؤ الخاص بهم. في بعض الحالات، كان النهج الجديد أكثر دقة 100 مرة من النمذجة المبسطة الحالية. اختار الباحثون الأمثلة الأساسية للمعادن ومجموعات الذرات المغناطيسية هنا – ولكن في المستقبل، هناك إمكانية دراسة مواد معقدة بشكل متزايد. يقول تشان: “هذه المواد الأولى التي درسناها هي بمثابة خطوة صغيرة، أو مشكلة النموذج الأولي، على طول الطريق إلى ظواهر أكثر تعقيدًا مثل الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية والمغناطيس الكمي”. إن طرق التنبؤ الأفضل تعني أن العلماء يمكنهم تطوير واستكشاف المواد، مثل الموصلات الفائقة، بثقة أكبر، والتي تعد بتغيير الأنظمة التي نستخدمها لشبكات الطاقة والحوسبة واسعة النطاق. وتميل المواد ذات الإمكانات الأكبر إلى أن تكون لها أيضًا سلوكيات الإلكترون الأكثر تعقيدًا – وهنا حيث الأساليب المستخدمة في هذا يمكن للدراسة أن تساعد. لا يزال هناك الكثير من التقدم الذي يتعين إحرازه، ولكن الآن بعد أن ثبت نجاح هذا النهج، يمكن للباحثين البدء في توسيع نطاقه، مما يمنح العلماء أداة لدراسة سلوكيات المواد الكمومية المعقدة دون الحاجة إلى الحصول على بيانات معملية أولاً. المبادئ الأولى، حتى في بعض فئات المواد الكمومية الأكثر تحديًا.