علماء الفيزياء يبتكرون شكلًا جديدًا وغريبًا من المادة: “بحر فيرمي”

عند أدنى درجات الحرارة في الكون، تصبح الفيزياء غير تقليدية.

عندما يتم تبريد الذرات إلى درجة أعلى بقليل من الصفر المطلق (-459.67 درجة فهرنهايت، أو -273.15 درجة مئوية)، فإنها يمكن أن تتفكك توصيل الكهرباء دون مقاومة، يصبح السحب “الجسيمية الفائقة”.، أو تدفق دون احتكاك و تسلق جدران حاوياتهم.

إن الوجود عند أصغر وأبرد المقاييس تحكمه إحصائيات الكم، التي تحدد سلوك الكائنات البوزونات و فرميونات: عائلتين من الجسيمات الأساسية يعتقد أنها تضم ​​كل شيء في الكون.

البوزونات هي جسيمات حاملة للقوة، مثل الفوتونات أو المشهورة هيغز بوزون. هذه يمكن أن تشغل نفس الحالة الكمومية، وهذا يعني ذلك بوزونات لا حدود لها يمكن أن “تتداخل” فوق بعضها البعض وتتصرف كموجات متماسكة.

الفرميونات هي جسيمات مثل الإلكترونات والكواركات التي تشكل البروتونات والنيوترونات. هم لا يمكن “التداخل” لأنه واحد فقط فرميونات قد يحتل حالة كمومية، كما هو مشهور مبدأ استبعاد باولي – وهو ما يفسر أيضًا سبب إعجاب الزومبي النجمي النجوم النيوترونية و الأقزام البيضاء، لا تنهار إلى حجم صغير بلا حدود الثقوب السوداء.

ومؤخرًا، طبق الفيزيائيون هذه المبادئ تجريبيا و نظريا وصف مرحلة جديدة غريبة من المادة الكمومية تشبه بحرًا من الجسيمات ذاتية التنظيم.

“على سبيل المثال، تتكدس الفرميونات بدقة في حالات الطاقة المتاحة لتشكل ما يسمى بـ “بحر فيرمي”.” يقول ألفيس باستيانيلو، عالم فيزياء نظرية في المركز الوطني الفرنسي للبحث العلمي (CNRS) وجامعة باريس دوفين.

“ولكن ماذا يحدث إذا أجبرت إحدى الذرات المتفاعلة على الدوران بشكل مستمر عبر الظروف القاسية، وتحولها بسلاسة من تنافر بعضها البعض بقوة إلى جذب بعضها البعض بقوة؟”

لمعرفة ذلك، ابتكر الباحثون أولاً كائنًا غريبًا حالة المادة يسمى غاز بوز. يتألف هذا من مجموعة من حوالي 70 ألف ذرة سيزيوم تم تبريدها إلى درجة حرارة لا تتجاوز بضعة نانو كلفن، أي ما يعادل أجزاء من المليار من الدرجة فوق الصفر المطلق.

في مثل هذه الظروف القاسية، تفقد الذرات فرديتها وتبدأ في التصرف ككيان موحد غامض.

ثم قام الباحثون بحصر هذه المادة المفردة داخل أنابيب أحادية البعد، تم إنشاؤها بواسطة شبكة بصرية ثنائية الأبعاد، وهي عبارة عن شبكة من أشعة الليزر التي يحبس الذرات حتى يمكن ملاحظتها.

وأخيرا، أخضع الباحثون هذه المادة لدورات تفاعل متكررة، حثوا فيها الذرات المكونة لها على التنافر بقوة ثم التجاذب فيما بينها.

ومن خلال القيام بذلك، ولدوا مرحلة جديدة تمامًا وغريبة بشكل غير متوقع من المادة الكمومية، وهو بحر فيرمي الجزئي.

كما ذكرنا سابقًا، يمكن للبوزونات أن تشغل حالات كمومية دون قيود، لكن الفرميونات لا تستطيع ذلك. ولذلك، فإن “الكسرية” لهذا البحر تمثل نوعًا من الوسط، حيث يمكن أن تكون الحالات الكمومية مشغولة جزئيًا فقط – وهي آلية قد تظهر فقط في التجارب ذات الأبعاد المنخفضة.

تؤدي نبضات الجذب والتنافر الدورية أيضًا إلى نتائج غير بديهية. وبدلاً من إطلاق الجسيمات أو تشتيتها بشكل عشوائي، فإنها تفعل العكس.

“بدلاً من مجرد تسخين النظام، تعيد دورة التفاعل تنظيم الذرات إلى حالة جديدة من الأجسام المتعددة.” يقول يي تسنغ، فيزيائي المادة المكثفة في جامعة إنسبروك في النمسا والمؤلف الرئيسي للدراسة.

قائد الأبحاث هانز كريستوف ناجيرل، الأستاذ بجامعة إنسبروك والمتخصص في فيزياء الكم التجريبية، يشرح:

“هذه الحالة شديدة الإثارة، ولكنها ليست عشوائية. فهي تتمتع بنظام خفي يصبح مرئيًا في ارتباطاتها.”

ونظرًا لتفاعلاتها المعقدة بشكل غريب، بما في ذلك التموجات الواضحة التي تسمى تذبذبات فريدل “بندقية التدخين” دليل على وجود بحر فيرمي الجزئي – الباحثون غير متأكدين من كيفية تسمية المادة القابلة للتغيير.

“لسنا متأكدين بعد من كيفية تسمية هذه الأشياء الجديدة أشباه الجسيمات. ربما “فرميونات فائقة”؟” يقترح ناجيرل.

تقدم هذه التجربة الجديدة طريقًا فريدًا لاستكشاف تفاعلات الأنظمة الكمومية للذرة الباردة، لاستكشاف كيفية ظهور واقعنا الكلي من الغرابة التي تحدث على المقاييس الأساسية.

“يُظهر اكتشاف بحار فيرمي الجزئية إلى أي مدى يمكننا دفع المحاكاة الكمومية: ليس فقط إعادة إنتاج النماذج المعروفة، ولكن أيضًا إنشاء واستكشاف الحالات التي تتجاوز النماذج الراسخة،” ناجيرل يقول.

متعلق ب: اكتشف العلماء حالة كمومية جديدة للمادة كانت تعتبر مستحيلة

ونتيجة لذلك، قد يساعد هذا العمل في تحسين المعلومات الكمومية وقدرات الاستشعار، مما يسمح بمعالجة البيانات والقياسات عالية الدقة ربط العالم – مع إمكانات لا توصف لتحسين علوم المواد والطب الحيوي التشفير التقنيات، من بين أشياء أخرى كثيرة.

وقد نشر هذا البحث في رسائل المراجعة البدنية ومتاح في خادم ما قبل الطباعة arXiv.

تم التحقق من صحة هذه المقالة بواسطة جيس كوكيريل وتم تحريره بواسطة مايكل ايرفينغ. وبينما نفخر بعمليتنا، فإننا بشر فقط. إذا اكتشفت خطأً، يرجى اعلامنا.