اكتشف باحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) والتقطوا صورًا لـ “حالة الحافة” النادرة في الذرات فائقة البرودة. وباستخدام هذه النتائج، يمكننا أن نتعلم كيفية الوصول إلى الحالات الحافة للإلكترونات في المواد المختلفة واستغلالها. سيؤدي هذا التقدم في مجال فيزياء الكم إلى اكتشاف مصادر طاقة لا حصر لها عمليًا.

“حالة الحافة” للإلكترونات هي حالة خاصة تتحرك فيها الإلكترونات على طول حدود أو حواف مواد معينة وليس عبر الوسط.

لاحظ مؤلفو الدراسة: “في هذه الحالة النادرة، يمكن للإلكترونات أن تتدفق دون احتكاك، وتنزلق بسهولة حول العوائق بينما تلتصق بتدفقها المحيطي المتمركز”.

تتيح هذه الحركة الخالية من الاحتكاك للإلكترونات نقل البيانات والطاقة عبر الأجهزة دون أي فقدان في الإرسال، مما يؤدي إلى تطوير دوائر إلكترونية وأجهزة كمبيوتر كمومية فائقة الكفاءة.

إن التقاط حالة الحافة في الإلكترونات ليس بالأمر السهل

في عام 1980، اقترح عالم فيزياء ألماني يُدعى كلاوس فون جليتسينج أنه في بعض المواد ثنائية الأبعاد، عند درجات حرارة منخفضة جدًا وتحت مجالات مغناطيسية قوية، يتدفق التيار بطريقة كمية عند الحواف. وتسمى هذه الظاهرة تأثير هول الكمي.

ويرتبط ارتباطًا وثيقًا بالحالة الحافة للإلكترونات، لأنه في المواد التي تظهر تأثير هول الكمي، تكون الإلكترونات الموجودة في الداخل مغلقة ولا يمكنها توصيل الكهرباء. ومع ذلك، فإنها تبدأ في التحرك في خط مستقيم على طول حواف الكائن، وتشكيل موضع الحافة.

في “حالة الحافة”، لا تتشتت الإلكترونات وتستمر في التحرك على طول حدود المادة على الرغم من وجود عائق في طريقها. هذا التدفق السلس والثابت للإلكترونات في حالات الحافة يخلق تيارات هول المسؤولة عن تأثير هول الكمي.

ومع ذلك، يكاد يكون من المستحيل على العلماء ملاحظة الحالة الحافة للإلكترونات لأنها تحدث في وقت محدد.

وقال ريتشارد فليتشر، أستاذ مساعد في الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وأحد مؤلفي الدراسة: “من المميز حقًا رؤيتها، لأن هذه الحالات تحدث في الفيمتو ثانية وعبر أجزاء من النانومتر، وهو أمر يصعب للغاية التقاطه”. قال.

إذًا، هل هذا يعني أنه لا توجد طريقة لمراقبة وتسخير قوة المواضع الطرفية؟ حسنًا، كان الباحثون أذكياء بما يكفي للتوصل إلى حل مثير للاهتمام لهذه المشكلة.

بدلًا من محاولة التقاط حالات الحافة للإلكترونات، ركزوا على الذرات وأجروا تجربة سمحت لهم بمراقبة “حالة الحافة” على نطاق أوسع.

كيف يمكن للذرات إظهار سلوك مماثل؟

واعتقد مؤلفو الدراسة أنه إذا تمكنت الإلكترونات من الدخول إلى الحالة الحافة في مواد معينة، فإن الذرات يمكن أن تفعل الشيء نفسه. ولذلك، قرروا مراقبة الذرات في ظل ظروف مماثلة تؤدي إلى حالة الحافة في الإلكترونات.

واستخدموا أشعة ليزر يتم التحكم فيها لالتقاط مليون ذرة صوديوم وتبريدها إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق. بعد ذلك، قاموا بتدوير مصيدة الليزر حول الذرات، على غرار الطريقة التي يدور بها الأشخاص أثناء ركوبهم للجرافيترون.

“يحاول الفخ سحب الذرات إلى الداخل، لكن قوة الطرد المركزي تحاول سحبها إلى الخارج. تعمل القوتان على موازنة بعضهما البعض، لذلك إذا كنت ذرة، فستعتقد أنك تعيش في مكان مسطح، على الرغم من أن وأوضح فليتشر أن العالم يدور.

“هناك قوة ثالثة تسمى تأثير كوريوليس، مما يعني أنها إذا حاولت التحرك في خط مستقيم، فإنها تنحرف. لذا فإن هذه الذرات الضخمة تتصرف الآن مثل الإلكترونات التي تعيش في مجال مغناطيسي.

استخدم الباحثون ضوء ليزر آخر على شكل حلقة لإنشاء حافة دائرية حول الذرات الدوارة. ومن المثير للدهشة أن الذرات بدأت تتدفق على طول الحافة في خط، مما يدل على حالات حافة مشابهة لتلك الموجودة في حالة الإلكترونات.

“لا يوجد احتكاك. ولا يوجد أي تباطؤ، ولا تسرب أو تناثر للذرات إلى أجزاء أخرى من النظام. وقال مارتن زويرلاين، أحد الباحثين وأستاذ الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “هناك تدفق جميل ومتماسك”. كما قدم الباحثون بعض العوائق، لكنهم لم يتمكنوا من إبطاء أو تعطيل حركة الذرات.

لقد تمكنوا من مراقبة حالة الذرات هذه لبضعة أجزاء من الثانية والتقطوا الصور. وفي التجارب المستقبلية، يخططون لاختبار حالة الحافة هذه في مواجهة المزيد من العوائق.

نأمل أن تساهم هذه النتائج في تطوير تقنيات نقل البيانات والطاقة فائقة الكفاءة في المستقبل.

ال يذاكر نشرت في المجلة الفيزياء الطبيعية.