علماء يكتشفون حالة جديدة للمادة تخفت في عالم الكوانتم

في “النظام الكمي محبط الحركة” هناك احتمالات غير محدودة تنبع من تفاعل الجسيمات.

تمكن فريق بحثي دولي بقيادة علماء من جامعة “ماساتشوستس، أمهرست” الأميركية من الكشف عن حالة جديدة للمادة وجدت داخل “عالم الجسيمات دون الذرية”، ووفق بيان رسمي من الجامعة، فإن هذا الكشف يمكن أن يساعد في تحقيق فهم أفضل لطبيعة العالم المادي.

وتُعرّف حالة المادة، بشكل عام، على أنها سلوك ذرات المادة حينما تتراص إلى جوار بعضها البعض، ويظهر ذلك بشكل واضح في الماء، فمنه حالة صلبة (الثلج) وسائلة (كوب من الماء) وغازية (بخار الماء)، وتتركب الحالات الثلاث من الذرات نفسها، إلا أن سلوك الذرات يختلف في كل حالة عن الأخرى.

حالة جديدة

وسميت الحالة الجديدة للمادة التي اكتشفها هذا الفريق “حالة سائل بوز الكيرالية” (chiral bose-liquid state)، وفيها تُجبر مجموعة من الإلكترونات أن تعيد ترتيب نفسها في عدد محدود من الأماكن، وهذا السلوك يسمى “الإحباط الحركي” (kinetic frustration).

ولغرض التقريب، يمكن تخيل الأمر كلعبة الكراسي الموسيقية الشهيرة، حيث يقوم عدد أكبر من الناس بالدوران حول عدد أقل من الكراسي ثم الجلوس عليها فجأة بعد توقف الموسيقى، وبالتبعية لا يتمكن أحد المشاركين في اللعبة من الجلوس على كرسي لأن الكراسي المتاحة انتهت.

أما في التجربة الخاصة بهم، والتي نُشرت نتائجها في دورية “نيتشر” (Nature) المرموقة، فقد قام هذا الفريق ببناء جهاز من مواد شبه موصلة يتكون من طبقتين؛ العليا غنية بالإلكترونات والسفلى فيها أماكن قليلة متاحة لهذه الإلكترونات، ثم مراقبة هذه المنظومة عبر مجال مغناطيسي قوي.

وحينما تنطلق تلك الإلكترونات للمضي قدما لملء تلك الأماكن فإن بعضا من الإلكترونات لا يجد مكانا. إلا أنه على خلاف الكراسي الموسيقية، فإن اللعبة لا تنتهي هنا، بل تستمر الإلكترونات في تبادل الأماكن بلا توقف.

سلوك كمومي مدهش

ووفق الدراسة، فإن الجسيمات عادة ما تصطدم ببعضها البعض في أي نظام مثل هذا، مثل كرات البلياردو التي تتصادم مع بعضها البعض على طاولة، ولكن في “النظام الكمي محبط الحركة” هناك احتمالات غير محدودة تنبع من تفاعل الجسيمات، تخيل مثلا أن تطير كرة البلياردو إلى الأعلى أو تخترق الطاولة أو تنطلق بزاوية غريبة.

وقد كشفت هذه الحالة الجديدة للمادة عن بعض الخصائص التي أثارت اهتمام العلماء لاستخدامات مستقبلية تتعلق بتشفير البيانات الرقمية، فمثلا تتجمد الإلكترونات في نمط يمكن التنبؤ به وتتخذ اتجاه دوران ثابتا (مع أو ضد عقارب الساعة) عند درجة الصفر المطلق.

وبالإضافة إلى ذلك يمكن للتأثيرات الخارجية على إلكترون واحد أن تؤثر على جميع الإلكترونات في تلك الحالة من المادة، وذلك بفضل ظاهرة التشابك الكمي بين تلك الإلكترونات في حالة سائل بوز الكيرالية.

ويضرب الباحثون مثالا لهذا التأثير الغريب، في البيان الصحفي، مصورين الأمر بأن قيامك بضرب كرة بلياردو واحدة على الطاولة يؤثر في كل الكرات الأخرى ويحركها.