تم أخيرًا تأكيد تنبؤ غريب في فيزياء الجسيمات عمره 67 عامًا

بعد 67 عامًا من التنبؤ النظري لديفيد بينز، تم اكتشاف الجسيم “الشبح” بعيد المنال، عديم الكتلة والمحايد في المواد الصلبة، في روثينات السترونتيوم، مما يؤكد قيمة مناهج البحث المبتكرة.

في عام 1956، توقع عالم الفيزياء النظرية ديفيد بينز أن الإلكترونات الموجودة في المواد الصلبة يمكن أن تفعل شيئًا غريبًا. وأكد بينز أنه على الرغم من أن الإلكترونات عادة ما يكون لها كتلة وشحنة، إلا أنها يمكن أن تتحد لتشكل جسيمًا مركبًا ليس له كتلة ولا حيادية ولا يتفاعل مع الضوء. أطلق على هذا الجسيم النظري اسم “الشبح”. منذ ذلك الحين، تم الافتراض بأنه يلعب دورًا مهمًا في سلوك مجموعة متنوعة من المعادن. لسوء الحظ، نفس الخصائص التي تجعلها مثيرة للاهتمام سمحت لها بالهروب من الاكتشاف من التنبؤ.

بعد مرور 67 عامًا، اكتشف فريق بحث بقيادة بيتر أبامونتي، أستاذ الفيزياء بجامعة إلينوي في أوربانا شامبين (UIUC)، أخيرًا وحش الصنوبر المراوغ. تقرير الباحثين في المجلة طبيعةلقد استخدموا تقنية تجريبية غير قياسية تعمل بشكل مباشر على إثارة الأنماط الإلكترونية للمادة، مما يسمح لهم برؤية توقيع باي في معدن السترونتيوم روثينيت.

وقال أبامونتي: “لقد تم وضع نظريات حول الأشباح منذ فترة طويلة، لكن التجريبيين لم يدرسوها أبدًا”. “في الواقع، لم نكن نبحث عنه. لكننا كنا نعلم أننا نفعل الشيء الصحيح، وقد وجدناه.

الشبح بعيد المنال

أحد أهم اكتشافات فيزياء المادة المكثفة هو أن الإلكترونات تفقد فرديتها في المواد الصلبة. التفاعلات الكهربائية تجمع الإلكترونات معًا لتكوين وحدات مركبة. مع وجود ما يكفي من الطاقة، يمكن للإلكترونات أن تصبح جسيمات مختلطة تسمى البلازمونات والتي تحددها التفاعلات الكهربائية الأساسية مع الشحنة والكتلة الجديدة. ومع ذلك، فإن الكتلة عادة ما تكون كبيرة جدًا بحيث لا يمكن للبلازمونات أن تتشكل مع الطاقات المتوفرة في درجة حرارة الغرفة.

وجدت باينز استثناءً. لقد جادل بأنه إذا كانت المادة الصلبة تحتوي على إلكترونات في أكثر من نطاق طاقة واحد، كما تفعل العديد من المعادن، فإن البلازمونات المعنية يمكن أن تخلق بلازمونًا جديدًا خارج الطور عديم الكتلة ومحايدًا: شبح. ولأن الأشباح عديمة الكتلة، فإنها يمكن أن تتشكل بأي طاقة، لذلك يمكن أن توجد في جميع درجات الحرارة. أدى هذا إلى التكهنات بأن لها تأثيرات مهمة على سلوك المعادن متعددة النطاقات.

لا يترك تحييد الأشباح توقيعًا في اختبارات المادة المكثفة القياسية. وقال أبامونتي: “معظم التجارب تقيس الضوء والخصائص البصرية، لكن الأشباح لا تتفاعل مع الضوء لأنها محايدة كهربائيا”. “كان مطلوبا تجربة مختلفة تماما.”

اكتشاف غير متوقع

وأشار أبامونتي إلى أنه ومعاونيه كانوا يدرسون روثينيت السترونتيوم لسبب غير ذي صلة، وهو أن المعدن يشبه الموصلات الفائقة عند درجة الحرارة العالية. وعلى أمل العثور على أدلة حول سبب حدوث هذه الظاهرة في الأنظمة الأخرى، أجروا أول مسح للخصائص الإلكترونية للمعدن.

قام فريق البحث المؤلف من يوشي مينو، أستاذ الفيزياء في جامعة كيوتو، وأبامونت وطالب الدراسات العليا السابق علي حسين، بتجميع عينات عالية الجودة من المعدن التي تمت دراستها بواسطة التحليل الطيفي لفقدان طاقة الإلكترون. تقنية غير قياسية تستخدم الطاقة الناتجة عن إطلاق الإلكترونات على المعدن لمراقبة خصائص المعدن بشكل مباشر، بما في ذلك البلازمونات الناتجة. عندما نظر الباحثون إلى البيانات، اكتشفوا شيئًا غير عادي: نمط إلكتروني عديم الكتلة.

يتذكر حسين، وهو الآن عالم أبحاث في شركة كوانتينوم: “في البداية، لم نكن نعرف ما هو”. الشياطين ليست السائدة. لقد أتيحت لنا هذه الفرصة في وقت مبكر وضحكنا عليها. ولكن عندما بدأنا في كشف الأمور، بدأنا نشك في أننا وجدنا الشبح بالفعل.

طُلب من إدوين هوانغ، وهو باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة مور ومنظر المادة المكثفة في جامعة UIUC، في النهاية حساب جوانب البنية الإلكترونية لروثينات السترونتيوم. وقال: “التنبؤ بأشباح الصنوبر يتطلب شروطا محددة، وليس من الواضح لأي شخص ما إذا كان يجب أن يكون مسكونا بروثينات السترونتيوم”. “كان علينا إجراء حسابات مجهرية لتوضيح ما يحدث. وعندما فعلنا ذلك، رأينا جسيمًا به نطاقان من الإلكترون يتأرجح خارج الطور بنفس القدر تقريبًا، تمامًا كما وصفه باينز.

طوارئ البحوث

ووفقا لأبامونتي، لم يكن من قبيل الصدفة أن اكتشف فريقه الشبح “عن طريق الصدفة”. وأكد أنه وفريقه كانوا يستخدمون تقنية لم تكن مستخدمة على نطاق واسع في مادة لم تتم دراستها بشكل جيد. ويعتقد أن اكتشافهم لشيء غير متوقع ورائع كان نتيجة لتجربة شيء مختلف، أكثر من مجرد الحظ.

وقال “إنه يتحدث عن أهمية قياس الأشياء”. “معظم الاختراعات العظيمة لم يتم التخطيط لها. أنت تذهب إلى مكان جديد وترى ما يوجد هناك.”

ملاحظة: “تم ملاحظة بلازمون الصوت ثلاثي الأبعاد في Pines Ghost Sr₂RuO₄علياء. حسين، إدوين دبليو. هوانغ، ماتيو ميترانو، ميليندا س. روك، سامانثا آي. روبيك، زوفي جو، هونجبين يانج، سانشال تشو، يوشيتيرو مينو، برونو أوتشوا، تاي تشي. تشيانج، فيليب إي. باتسون، فيليب دبليو. فيليبس وبيتر أبامونتي، 9 أغسطس 2023، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-023-06318-8

Appamonte هو عضو في مختبر أبحاث المواد في UIUC. هوانغ هو عضو في معهد نظرية المادة المكثفة في UIUC.

ساهم في هذا العمل الأساتذة فيليب فيليبس من UIUC، وماتيو ميترانو من جامعة هارفارد، وبرونو أوتشوا من جامعة أوكلاهوما، وفيليب بوسطن من جامعة روتجرز.

وقد تم تقديم الدعم من قبل وزارة الطاقة الأمريكية، والجمعية اليابانية لتقدم العلوم، والمؤسسة الوطنية للعلوم، ومؤسسة جوردون وبيتي مور.