الفيزيائيون يصنعون بلورات بوزونية
(الفيزيائيون يخلقون حالة جديدة غريبة للمادة: بلورات بوزونية (مقال مترجم
هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها إنشاء بلورة مرتبة لجسيمات بوزونية تُسمى “الإكسيتونات” في نظام مادي حقيقي، بدلاً من الأنظمة الاصطناعية.
تنتمي الجسيمات دون الذرية إلى أحد نوعين رئيسيتين: الفيرميونات والبوزونات. وإحدى أهم طرق التمييز بينهما تكمن في سلوكهما. يمكن للبوزونات أن تحتل نفس المستوى الطاقي، بينما لا تقبل الفيرميونات البقاء معاً. وتكون هذه الجسيمات بسلوكاتها معا الكون كما نعرفه.
فالفيرميونات، (ومنها الإلكترونات مثلا)، تكوّن الجزء الأساسي من المادة التي نعرفها، حيث أنها مستقرة وتتفاعل عن طريق القوة الكهرسكونية. بينما البوزونات، (ومنها الفوتونات)، من الصعب التحكم بها، حيث أنها إما تروغ منا بسرعة أو لا تتفاعل مع بعضها البعض.
“ووفقًا للمؤلف الأول للورقة العلمية، ريتشن شيونغ، طالب الدراسات العليا في جامعة كاليفورنيا في سانتا باربارا، فإن “مفتاح فهم سلوكهما المميز يكمن في خصائصهما الكمومية المختلفة، فالفيرميونات لديها زخوم [المقصود هنا الغزل او البرم] بقيم نصفية مثل 1/2 أو 3/2، بينما البوزونات لديها زخوم بأعداد صحيحة ([0]، 1، 2، إلخ)”. ويتابع شيونغ: “حالة الإكسيتونات هي حالة يكون فيها الإلكترون المشحون سلبًبا (فيرميون) مرتبطًا بالفجوة المشحونة إيجابيًا (فيرميون آخر)، حيث يجتمع زخما النصفين معًا ليصبحا عددًا صحيحًا، مكونين جسيما بوزونيًا”.
لإنشاء وتحديد “الإكسيتونات” في نظامهم، قام شيونغ وزملاؤه برص شبكتين وتسليط أضواء قوية عليهما باستخدام طريقة يطلقون عليها اسم “مطيافية مجس الضخ”. ويؤدي ضم الجسيمات من الشبكتين (الإلكترونات من ثاني كبريتيد التنغستن والفجوات من ثاني سيلينيد التنغستن) مع الضوء إلى خلق بيئة مواتية لتكوين “الإكسيتونات”، حيث سمح التفاعل بينها للباحثين بدراسة سلوك هذه الجسيمات.
وقال كبير المؤلفين الدكتور تشينهاو جين، الفيزيائي في جامعة كاليفورنيا في سانتا باربارا: “عندما وصلت هذه “الإكسيتونات” إلى كثافة معينة، لم يعد بإمكانها التحرك”. وبفضل التفاعلات القوية، فإن السلوك الجماعي لهذه الجسيمات عند تلك الكثافة قد دفعتها إلى الدخول في حالة بلورية وتكوين تأثير عازل بسبب عدم قدرتها على الحركة. وأضاف شيونغ: “ما حدث هو أننا اكتشفنا الارتباط الذي دفع البوزونات إلى حالة عالية من الترتيب”.
عمومًا، فإن تجمعا رخوا من البوزونات تحت درجات حرارة فائقة البرودة سيشكل “كُثافة”، ولكن في هذا النظام، بوجود الضوء مع كثافة وتفاعل زائدين، وتحت درجات حرارة أعلى نسبياً، فقد انتظمت البوزونات على شكل عازل صلب متماثل ومتعادل كهربائياً. إن خلق هذه الحالة الغريبة للمادة يثبت أن هذه الأرضية المتموجة، مع مطيافية مجس الضخ التي استخدمها الباحثون، أمكنها أن تصبح وسيلة هامة لخلق واستكشاف المواد “البوزونية”.
ويشرح شيونغ: “كما أن هناك العديد من أطوار الجسيمات المتعددة من الفيرميونات تؤدي إلى ظواهر كالموصلية الفائقة، فإن هناك أيضًا أطواراَ مناظرة لجسيمات متعددة من البوزونات التي تشكل أيضا حالات غريبة. لذلك فإن ما قمنا به هو إنشاء الأرضية، لأنه لم يكن لدينا وسيلة فعالة حقًا لدراسة البوزونات في المواد الحقيقية. وفي حين أن “الإكسيتونات” قد تمت دراستها بشكل جيد، فإنه لم يكن هناك لغاية هذا المشروع طريقة لصفها وجعلها تتفاعل بقوة مع بعضها البعض”.
ومع طريقة هذا الفريق، يمكن أن يكون من الممكن ليس فقط دراسة الجسيمات البوزونية المعروفة مثل الإكسيتونات، ولكن أيضًا فتح مزيد من النوافذ إلى عالم المادة المكثفة باستخدام مواد بوزونية جديدة. يقول الدكتور جين: “نحن نعلم أن بعض المواد تمتلك خواص غريبة جدًا، وأحد أهداف فيزياء المادة المكثفة هو فهم سبب وجود هذه الخواص الغنية وإيجاد طرق أكثر مصداقية لكشف هذه السلوكيات”.
ترجمة عن المصدر: https://www.sci.news/physics/bosonic-correlated-insulator-11989.html
انظر أيضا: حالة جديدة للمادة مكونة من بلورات بوزونية:
https://interestingengineering.com/science/new-exotic-material-made-of-bosons