يلتقط الفيزيائيون الصورة الأولى لبلورة الإلكترون

تطير الإلكترونات عادة حول ذراتها، لكن فريق من الفيزيائيين قام الآن بتصوير الجسيمات في حالة مختلفة تمامًا: في مرحلة كمومية تسمى بلورة فيجنر، متماسكة معًا بدون نواة في مركزها.

سميت هذه المرحلة باسم يوجين فيغنر تم التنبؤ به في عام 1934 تتبلور الإلكترونات في الشبكة عندما تكون بعض التفاعلات بينها قوية بدرجة كافية. استخدمت مجموعة حديثة الفحص المجهري النفقي عالي الدقة لتصوير البلورة المتوقعة مباشرةً؛ أبحاثهم نشرت هذا الاسبوع في الطبيعة.

وقال علي يستاني، عالم الفيزياء في جامعة برينستون: “إن بلورة ويغنر هي واحدة من أروع المراحل الكمومية المتوقعة للمادة، وقد وجدت العديد من الدراسات أدلة غير مباشرة على تشكلها”. أحد كبار مؤلفي الدراسة في إحدى الجامعات تحرير.

الإلكترونات تنافر بعضها بعضًا: فهي تريد الابتعاد عن بعضها البعض. في السبعينيات، مجموعة في مختبرات بيل شكلت بلورة الإلكترون ومن خلال رش الجسيمات على الهيليوم، لاحظوا أن الإلكترونات تتصرف مثل البلورة. لكن تلك التجربة ظلت عالقة في المجال الكلاسيكي. ووفقا للفريق، أنتجت التجربة الأخيرة “بلورة ويغنر الحقيقية” لأن الإلكترونات الموجودة في الشبكة تتصرف كموجة وليس كجسيمات فردية ملتصقة ببعضها البعض.

افترض ويجنر أن هذه المرحلة الكمومية للإلكترونات تحدث بسبب التنافر المتبادل بين الجسيمات، وليس على الرغم منها. لكن هذا يحدث فقط في درجات حرارة شديدة البرودة وظروف منخفضة الكثافة. وفي التجربة الجديدة، وضع الفريق الإلكترونات بين ورقتين من الجرافين، مما أدى إلى إزالة عيوب المواد تمامًا. ثم قاموا بتبريد العينات وتطبيق مجال مغناطيسي عمودي عليها. كانت أقصى قوة للمجال المغناطيسي 13.95 تسلا وأدنى درجة حرارة 210 ملي كلفن. يؤدي وضع الإلكترونات في مجال مغناطيسي إلى تقييد حركتها، مما يزيد من فرص تبلورها.

وقال مينهو هي، الباحث في جامعة برينستون والمؤلف الأول المشارك للورقة البحثية، في نفس المنشور: “هناك تنافر جوهري بين الإلكترونات”. “إنهم يريدون تنافر بعضهم البعض، ولكن في هذه الأثناء، لا يمكن للإلكترونات أن تكون لا نهائية بسبب الكثافة المحدودة. ونتيجة لذلك، فإنها تشكل بنية شبكية منظمة ومكتظة، حيث يشغل كل إلكترون محلي قدرًا معينًا من الفضاء.

ولمفاجأة الفريق، كانت بلورة فيجنر مستقرة على مدى أطول من المتوقع. ومع ذلك، عند الكثافات الأعلى، تراجعت المرحلة البلورية سائل الإلكترون. بعد ذلك، نظر الباحثون في كيفية انتقال طور بلورة فيغنر إلى أطوار أخرى من الإلكترونات تحت مجال مغناطيسي.

هذه هي أفضل الأيام لقراءة المواد الرائعة فحص الصوت الثاني للحرارة لكى يفعل بلورات طويلة الأمد أكثر مما سبق. ومن خلال فحص المادة عند أطرافها، يستطيع الفيزيائيون أن يفهموا بشكل أفضل المواد التي يتكون منها الكون والقوانين المثيرة للاهتمام التي تطيعها.

إضافي: لاحظ الفيزيائيون أخيرًا حالة غريبة للمادة تم التنبؤ بها لأول مرة في عام 1973