اختراق الكم يجعل الضوء يتصرف كأنه صلب وسائل في آن واحد
نجح فريق دولي من العلماء في تحقيق اكتشاف مذهل في مجال المادة الكمومية، حيث تمكنوا من تصنيع حالة نادرة تجمع بين خصائص المادة الصلبة والسائلة في آن واحد. تُعرف هذه الحالة بـsupersolid، وهي تمثل حالة تجمع بين النظام المرتب الذي يميز البلورات، والتدفق السلس الذي يتميز به السائل الخاص المعروف باسم superfluidity. الأهم من ذلك أن هذا السلوك تم رصده في درجة حرارة الغرفة، مما أدى إلى تجاوز الحاجة للتبريد القاسي الذي اعتاد العلماء استخدامه في دراسات المادة الكمومية.
ما هو الـ Supersolid وكيف يمكن للمادة أن تكون صلبة وسائلة؟
في العادة، تفرقنا بين المواد الصلبة والسوائل بسهولة، حيث تمتاز المواد الصلبة كالكريستالات بترتيب منتظم لجسيماتها داخل بنية تكرارية، بينما السوائل تتسم بالمرونة والقدرة على التدفق وتغيير الشكل. لكن قوانين الفيزياء الكمومية تسمح بتصرفات خارجة عن المألوف.
من أبرز الظواهر الكمومية هو superfluidity، حيث يفقد السائل لزوجته الداخلية، مما يمكنه من التدفق دون مقاومة تقريبًا. على سبيل المثال، إذا حركنا مجدافًا في مثل هذا السائل، فإننا لن نشعر تقريبًا بأي مقاومة حتى تحدث دوامات كمومية عند حدود سرعة معينة.
في ستينيات القرن الماضي، اقترح الفيزيائيون وجود حالة فريدة تجمع بين الخصائص المنتظمة للمادة الصلبة والقدرة على التدفق بدون لزوجة. هذه الحالة المسماة supersolid تظل نظريًا مدهشة لسنوات طويلة حتى تأكد وجودها فعليًا في عام 2017 في تجارب مع Bose-Einstein condensates عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق. ولكن هذه التجارب كانت تتطلب معدات تبريد مكلفة ومعقدة.
استخدام الضوء بدلاً من الذرات المبردة لتشكيل الـ Supersolid
تجاوز فريق البحث هذه العقبات بالتوجه إلى نوع جديد من الجسيمات تسمى exciton polaritons، وهي جسيمات هجين تجمع خصائص الضوء والمادة. تتشكل هذه الجسيمات في غرف بصرية صغيرة تسمى microcavities، حيث يتفاعل الضوء مع المادة بقوة كبيرة.
رغم أن هذه الجسيمات تعيش لفترة قصيرة جدًا لا تتجاوز بضعة بيكوثوان (واحد من التريليون من الثانية)، إلا أنها تستطيع ترتيب نفسها في حالة تجمع كمومي من نوع Bose-Einstein condensate، مما يسمح لها بإظهار سلوك السوبر فلويد.
قام الباحثون ببناء microcavity حاوية على بلورة سائلة مبرمجة بعناية ومغطاة بشبه موصل عضوي، ما أتاح تفاعل الضوء والمادة بشكل قوي دون الحاجة لدرجات حرارة منخفضة جدًا. ووفقًا لأحد الباحثين، يمكن لهذه الأجهزة أن تعمل عند درجات حرارة تصل إلى 60 درجة مئوية، وهي حرارة مرتفعة مقارنة بدرجات التبريد الصعبة التي تتطلبها التجارب التقليدية.
كشف نماذج ضوئية تدل على الـ Supersolid
كيف يمكن التأكد من دخول النظام في حالة supersolid؟ في هذه الدراسة، تم رصد سلسة من الحزم الضوئية المتتالية بترتيب منتظم على صورة فُرَز ضوئي (bright fringes)، ما يشير إلى تطور كثافة الجسيمات داخل العينة بشكل دوري ومتكرر، وهو سمة أساسية للبنى البلورية.
اللافت أنه مع كل نبضة ليزر تخترق العينة، ظهرت هذه الأنماط الضوئية في مواقع مختلفة بدل أن تظل ثابتة، مما يعكس ظاهرة تُعرف بـspontaneous symmetry breaking أو “كسر التماثل التلقائي”. في هذه العملية، يختار النظام بين عدة ترتيبيات مكافئة بشكل عشوائي.
كما تم تحديد خاصية أخرى أطلق عليها الباحثون اسم persistent spin helix، وهي تتعلق بتدرج دوري في استقطاب الضوء المنبعث من العينة، أي تغير اتجاه المجال الكهربائي المتذبذب للضوء.
نتيجة لذلك، ظهر في النظام نوعان من الترتيب: واحد في شدة الضوء الصادر، والآخر في استقطابه، ما يعكس تعقيداً غير مسبوق في التحكم بحالة المادة الكمومية هذه.
تحديات التجربة وأهميتها العملية
واجه العلماء تحديًا عمليًا مرتبطًا بالعوامل الكيميائية. المكون العضوي المستخدم في الجهاز تفاعل تدريجيًا مع البلورة السائلة، مما يعني ضيق وقت القياس إلى ساعات قليلة لكل عينة. لذلك، تطلب الأمر تخطيط دقيق لتسلسل التجارب وتحديد القياسات الضرورية مسبقًا.
تم تنفيذ القياسات الحاسمة في مختبرات IBM في زيورخ، حيث تم تحضير الطبقات الرقيقة من الشبه موصل العضوي مع الهياكل الضوئية التي طورتها جامعة التكنولوجيا العسكرية في بولندا. هذا التعاون سمح بمشاهدة ظاهرة الـ supersolid في درجات حرارة عادية لأول مرة.
دلالة ظهور المادة الكمومية عند درجة حرارة الغرفة
تكمن أهمية الاكتشاف في تمكين دراسة الظواهر الكمومية المعقدة دون الاعتماد على أنظمة تبريد متقدمة. يمكن لهذه التقنية فتح آفاق واسعة في تطوير أجهزة تعتمد على الضوء لمعالجة المعلومات بسرعة فائقة.
من التطبيقات المستقبلية المحتملة:
- أجهزة فوتونية فائقة السرعة
- وحدات حوسبة متقدمة تعتمد على مبادئ neuromorphic computing، أي تقليد طريقة دماغ الإنسان في معالجة المعلومات.
- أجهزة استشعار ضوئية حساسة للغاية بفضل التأثر القوي لحالة الـ supersolid بتغييرات استقطاب الضوء.
على الرغم من أن هذه التطبيقات لا تزال في طور البحث، فإن الإنتاج الكمومي عند حرارة الغرفة يشكل خطوة كبيرة نحو جعل هذه التقنيات أكثر قابلية للتطبيق في المستقبل.
التحكم الكهربائي في المادة الكمومية
إحدى الميزات الفريدة التي أتاحتها هذه التجربة هي إمكانية تعديل الجهاز كهربائيًا. يسمح استخدام البلورات السائلة في microcavities بضبط خصائص النظام الضوئي الكمومي عن طريق تطبيق جهد كهربائي خارجي.
هذه المرونة في التحكم لم تكن متاحة في التجارب السابقة التي لم تستطع تعديل حالة exciton-polariton condensates بسهولة. تتيح هذه الميزة للباحثين استكشاف خصائص المادة الكمومية بصورة أوسع، كما تفتح الباب أمام تصميم أدوات فوتونية كمومية عملية يتطلب عملها تحكمًا دقيقًا في خصائص الضوء والمادة.
خاتمة
بهذا الإنجاز، استطاع فريق علماء من جامعة وارسو وبولندا وفرنسا وسويسرا الجمع بين خصائص المواد الصلبة والسائلة ضمن جسيمات ضوئية في حالة supersolid عند درجات حرارة مرتفعة غير مسبوقة في هذا المجال. تمكنت هذه الدراسة من تجاوز الحاجز التقني المتمثل في الحاجة إلى التبريد الشديد للمادة الكمومية، ما يفتح آفاقًا واسعة للدراسات المستقبلية ولتطبيقات تقنية مبتكرة في الحوسبة الضوئية وأجهزة الاستشعار الفائقة الحساسية.
المصدر: Science Advances
📚 مقالات ذات صلة
اكتشاف المزيد من Mohdbali
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
تطبيقاتنا على أندرويد
