شاهد
لدينا بالفعل أجهزة الكمبيوتر الكموميةولكنها متخصصة للغاية، وليست عملية بشكل خاص، ولا تغطي سوى جزء صغير من إمكانات الأداء التي يعتقد العلماء أن هذه التكنولوجيا يمكن أن تطلقها في النهاية.
يمكن للمواد الكمومية أن تستضيف العديد من الحالات الإلكترونية المتنافسة، ويمثل اكتشاف كيفية تشكل تلك الحالات تحديًا طويل الأمد – وهو ما يقودنا إلى دراسة جديدة نُشرت في مجلة فيزياء الطبيعة.
تبحث الدراسة التي أجراها فريق دولي من الباحثين في كيفية حدوث ذلك موجة كثافة الشحنة يمكن لأطوار (CDW) أن تظهر وتتعايش في نفس المادة.
يستخدم الباحثون هذه المراحل البسيطة نسبيًا من سلوك الإلكترون كنموذج لفهم المنافسة الطورية في المواد الكمومية الأكثر تعقيدًا، بما في ذلك تلك التي تحتوي على الموصلية الفائقة والمغناطيسية.
“تمامًا مثل الموصلية الفائقة، فإن موجات كثافة الشحنة هي ظاهرة جماعية حيث تتحرك الإلكترونات معًا بطرق معينة.” يقول الفيزيائي ييفان سو، من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.
“إن قوة CDWs هي أنها شكل أبسط بكثير من المادة مقارنة بالموصلية الفائقة. فهي توفر ملعبًا للفهم الأساسي.”
ولإجراء تجربتهم، اختار الباحثون مادة الإربيوم تريتيلورايد، وهي معروفة بالفعل أن تمتلك القدرة على الاحتفاظ بأمرين من أوامر CDW في وقت واحد – في الأساس، أنماط مختلفة لكثافة الإلكترون تؤثر على سلوك المادة – والتي تحدد مرحلتين كميتين.
يقوم ترايتيلورايد الإربيوم بتطوير CDW مهيمن تحت حوالي -8 درجة مئوية (18 درجة فهرنهايت). يظهر CDW ثانٍ أسفل حوالي -113 درجة مئوية (-171 درجة فهرنهايت)، ويمتد بشكل عمودي على الأول من خلال البلورة، مما يؤدي إلى إنشاء “رقعة الشطرنج”.
تتطلب هذه الـ CDWs المتنافسة والمتواجدة ظهور درجات الحرارة الباردة هذه، لكن من الصعب دراستها في حالة توازن طبيعية.
“لقد تمت مناقشة الآلية المسؤولة عن ظهور هذه المرحلة الثانية منذ فترة طويلة، ويوفر نهجنا طريقة جديدة قوية للكشف عن الفيزياء المخفية وراء التحولات الطورية في المواد الكمومية.” يقول الفيزيائي نوح جيديك، من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.
ولرؤية ما يحدث فعليًا، استخدم الفريق مجموعة من نبضات الليزر القصيرة والمكثفة.
هزت النبضة الأولى «رقعة الشطرنج» الخاصة بأطوار الإلكترون المتقاطعة، بحيث كان يتعين عليها الإصلاح. تم استخدام النبض الثاني كوسيلة لقياس إعادة بناء CDWs.
في حين عادت المرحلة الأولى المهيمنة كما توقع الباحثون – بطريقة تدريجية وموحدة – كانت المرحلة الثانية أكثر غرابة، حيث عادت في جيوب معزولة انتشرت بعد ذلك عبر المادة، على غرار بلورات الجليد تظهر على شكل تجمد الماء.
في الأساس، تشير النتائج إلى أن مرحلتي CDW تتشكلان من خلال آليات مختلفة بشكل أساسي.
“أحد أكبر الأسئلة في الفيزياء هو لماذا تحتوي بعض المواد على أطوار متعددة بينما لا تحتوي مواد أخرى على ذلك” يقول جيديك.
“وعندما توجد مراحل متعددة، كيف تتفاعل؟ هل تعزز بعضها البعض، أو تتنافس، أو تتعايش بشكل مستقل؟”
إذا لم تكن فيزيائيًا، فقد لا تكون أهميتها واضحة على الفور، ولكن هذه المراحل هي التي تجعل المواد الكمومية مميزة جدًا – وربما مفيدة جدًا. إن معرفة المزيد عنها يمكن أن تساعدنا في النهاية على فهم كيفية إطلاقها والسيطرة عليها.
“في الأنظمة الأكثر تعقيدًا، مثل الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية، ترى أن هناك مراحل متعددة – المغناطيسية، والموصلية الفائقة، وموجات كثافة الشحنة، وكلها موجودة معًا.” يقول جيديك.
“إحدى النظريات هي أن الطريقة التي تتفاعل بها مع بعضها البعض هي المفتاح لخصائصها الغريبة. والدروس التي نتعلمها هنا يمكن تطبيقها على مواد أكثر تعقيدا.”
يقترح الباحثون أن الدراسات المستقبلية يمكن أن تحلل تلك المواد الأكثر تعقيدًا باستخدام نفس نهج نبض الليزر المستخدم هنا، مما يكشف المزيد عن كيفية تطوير المواد الكمومية لخصائصها.
قد يكون ذلك مفيدًا أيضًا للإلكترونيات: قد يكون من الممكن استبداله في المستقبل رقائق السيليكون من الأنظمة التقليدية بمواد مختلفة ومتفوقة، ولكن فقط إذا كنا قادرين على بنائها والتحكم فيها بدقة محددة للغاية.
“يعتقد الناس أن حجر الزاوية في استبدال السيليكون يكمن في المواد الكمومية التي لها مراحل تعايش متعددة” يقول الفيزيائي ألفريد زونغ، الذي شارك في قيادة الدراسة كطالب دراسات عليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وهو الآن في جامعة ستانفورد.
“توفر تجربتنا طريقة رائعة للغاية لدراسة هذه المراحل المتعددة.”
وقد تم نشر البحث في فيزياء الطبيعة.
تم التحقق من صحة هذه المقالة بواسطة ريبيكا داير وتم تحريره بواسطة ريبيكا داير. وبينما نفخر بعمليتنا، فإننا بشر فقط. إذا اكتشفت خطأً، يرجى اعلامنا.
المصدر الأصلي: www.sciencealert.com — للاطلاع على المادة الأصلية.
