علماء يكتشفون وجود “حالة كمومية” جديدة للمادة | علوم

أعلن فريق من علماء الفيزياء بقيادة باحثين من جامعة كاليفورنيا، إيرفين، الأميركية، عن اكتشاف حالة جديدة من حالات المادة الكمومية، ليست مادة صلبة ولا سائلة ولا غازية، بل شيء أغرب، يتصرف بقواعد لا تخضع للمنطق المعتاد.

في ظروف خاصة جدًا، تحت درجات حرارة تقترب من الصفر المطلق، وفي بيئات مضبوطة بدقة بالغة، لاحظ العلماء سلوكًا غير مسبوق للجسيمات، يوحي بأننا أمام حالة جديدة من التنظيم الفيزيائي على المستوى دون الذري.

المادة، كما نعرفها، تتخذ أشكالًا مألوفة، صلبة، سائلة، غازية، ويضاف لها ما يعرف باسم الحالة الرابة للمادة وهي “البلازما” التي تنشأ في درجات حرارة مرتفعة.

لكن عندما ننتقل إلى عالم الجزيئات الدقيقة، حيث تتحكم قوانين ميكانيكا الكم، تبدأ القواعد المألوفة بالاختلال.

طرق غريبة

عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، أي سالب 273.15 سيليزية، تبدأ الجسيمات مثل الإلكترونات أو الذرات في التصرف بطرق غريبة، حيث يمكن أن تُظهر سمات التراكب (أي توجد في حالة من الاحتمالات المتعددة) أو تتشابك (أي أن ترتبط بعلاقة على الرغم من وجود مسافة بينها)، وتتفاعل كأنها وحدة واحدة لا يمكن فصلها، هذه الحالات تُعرف بـ”الحالات الكمومية”.

أشهر هذه الحالات هي الموصلية الفائقة، حيث تسري الكهرباء دون مقاومة، وتكاثف بوز-آينشتاين، حيث تتصرف آلاف الذرات كما لو كانت “ذرة واحدة عملاقة”، والسوائل الفائقة، وهي مواد تنساب بلا احتكاك أو مقاومة. والآن، يضيف العلماء إلى هذه القائمة حالة جديدة تمامًا، بحسب الدراسة التي نشرها الباحثون في دورية “فيزيكال ريفيو ليترز”.

اعتمد الباحثون على تجارب دقيقة باستخدام مواد تبريد فائقة وتطبيق مجال مغناطيسي قوي. في هذه الحالة المتطرفة، تبدأ الجسيمات في فقدان “هويتها الفردية”، وتتحول إلى ما يشبه السلوك الجماعي التام، وكأن كل الذرات كيان واحد.

الإكسيتونات

قال لويس جوريجي، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك في جامعة كاليفورنيا، إيرفين، في بيان صحفي رسمي من الجامعة: “إنها مرحلة جديدة من المادة، تُشبه وجود الماء في صورة سائلة أو جليدية أو بخارية”، وأضاف: “لم يُتوقع حدوثها إلا نظريًا، ولم يُقسها أحدٌ حتى الآن”.

تشبه هذه المرحلة الجديدة سائلًا مُكوّنًا من الإلكترونات ونظائرها، المعروفة باسم “الفجوات”، والتي تتزاوج تلقائيًا وتُشكّل حالات غريبة تُعرف باسم “الإٍكسيتونات”، وعلى غير العادة، تدور الإلكترونات والفجوات معًا في نفس الاتجاه.

الإكسيتون هو جسيم زائف، يظهر داخل المواد الصلبة مثل أشباه الموصلات عندما يمتصّ إلكترون طاقة (مثل ضوء) فيقفز إلى مستوى طاقة أعلى، مخلفًا وراءه “ثغرة” تُعرف باسم الفجوة أو الثقب، هذه الفجوة في العالم الكمومي، ورغم أنها ليست جسيم حقيقي (ومن ثم جاء لقب “زائف”)، تتصرف وكأنها جسيم، داخل شبكة الذرات التي تتصرف ككيان واحد.

يشكل الإلكترون والثقب الذي تركه ثنائيا مشحونا، يشبه “ذرة مؤقتة”، ترتبط فيه الجسيمتان بقوة كهربائية ساكنة، تمامًا مثل الإلكترون والبروتون في ذرة الهيدروجين.

تطبيقات حاسوبية

وقال جوريجي: “إنها حالة جديدة في حد ذاتها. لو استطعنا حملها بأيدينا، لأصدرت ضوءًا ساطعًا عالي التردد”.

ومع تطبيق الفريق للمجال المغناطيسي، تنخفض قدرة المادة على حمل الكهرباء فجأة، مما يُظهر أنها تحولت إلى هذه الحالة الغريبة.

هذا الاكتشاف مهم لأنه قد يسمح بنقل الإشارات بطريقة بديلة من الشحنة الكهربائية، مما يفتح آفاقا جديدة نحو تقنيات حاسوبية موفرة للطاقة في الأجهزة الكمومية.

وعلى عكس المواد التقليدية المستخدمة في الإلكترونيات، لا تتأثر هذه المادة الكمومية الجديدة بأي شكل من أشكال الإشعاع، مما يجعلها مرشحا مثاليا لبناء حواسيب تسافر في الفضاء ولا تتعطل بسبب الإشعاع، أثناء الرحلات الطويلة.