هذا الإنجاز الكمي يمكن أن يغير طريقة صنع المواد

لقد أظهر العلماء أنه قد يكون من الممكن تحويل المواد ببساطة عن طريق إثارة تموجات كمومية داخلية بدلاً من تفجيرها بضوء مكثف.

تخيل أنك قادر على تغيير قدرات المادة بمجرد تسليط الضوء عليها.

قد تبدو هذه الفكرة وكأنها شيء من الخيال العلمي، ولكنها بالضبط ما يهدف الفيزيائيون إلى تحقيقه من خلال مجال بحثي متنامٍ يُعرف باسم هندسة الفلوكيت. من خلال تعريض مادة لتأثير خارجي متكرر مثل الضوء، يمكن للعلماء إعادة تشكيل كيفية تصرف إلكتروناتها بشكل مؤقت. تسمح هذه العملية للمواد باكتساب خصائص جديدة تمامًا، بما في ذلك السلوكيات المرتبطة عادةً بحالات المادة الغريبة، مثل الموصلية الفائقة.

لقد تمت دراسة النظرية الأساسية وراء فيزياء فلوكيت لسنوات، ويعود تاريخها إلى الاقتراح الجريء الذي قدمه أوكا وأوكي في عام 2009. ومع ذلك، كانت العروض التوضيحية في العالم الحقيقي نادرة. فقط عدد قليل من التجارب على مدى العقد الماضي أظهرت بنجاح تأثيرات Floquet واضحة. وكانت إحدى العقبات الرئيسية هي الاعتماد على الضوء المكثف، الذي يجب أن يكون قويًا بما يكفي لتغيير السلوك الإلكتروني، ولكنه غالبًا ما يقترب من إتلاف أو تدمير المادة نفسها مع تقديم نتائج محدودة.

نهج جديد يتجاوز الضوء عالي الكثافة

لقد اكتشف الباحثون الآن طريقة أكثر فعالية للمضي قدمًا. أثبت فريق دولي بقيادة معهد أوكيناوا للعلوم والتكنولوجيا (OIST) وجامعة ستانفورد أن الجسيمات المعروفة باسم الإكسيتونات يمكن أن تؤدي إلى تأثيرات Floquet بشكل أكثر فعالية بكثير من الضوء وحده. ونشرت النتائج التي توصلوا إليها في فيزياء الطبيعة.

يقول البروفيسور كيشاف داني من وحدة التحليل الطيفي للفيمتو ثانية في OIST: “إن الإكسيتونات تقترن بالمادة بقوة أكبر بكثير من الفوتونات بسبب تفاعل كولوم القوي، خاصة في المواد ثنائية الأبعاد”. “وبالتالي يمكنهم تحقيق تأثيرات Floquet قوية مع تجنب التحديات التي يفرضها الضوء. وبهذا، لدينا طريق محتمل جديد للأجهزة والمواد الكمومية المستقبلية الغريبة التي تعد بها هندسة Floquet.”

يقدم هذا الاكتشاف بديلاً واعداً للطرق المعتمدة على الليزر، مما يفتح إمكانيات جديدة للتحكم في المواد الكمومية دون إدخال طاقة كبيرة.

كيف تعمل هندسة Floquet في المواد الكمومية

لطالما كان يُنظر إلى هندسة الفلوكيه على أنها طريق محتمل لإنشاء مواد كمومية حسب الطلب باستخدام المواد العادية أشباه الموصلات. الفكرة الأساسية تأتي من مبدأ مادي بسيط. عندما يتعرض النظام لقوة متكررة، يمكن أن يصبح سلوكه العام أكثر تعقيدًا من التكرار نفسه. والمثال المألوف هو أرجوحة الملعب. يمكن أن تؤدي الدفعات المنتظمة إلى رفع التأرجح، على الرغم من أن الحركة تظل إيقاعية.

وفي العالم الكمي، يأخذ هذا المبدأ معنى جديدًا. داخل البلورة، تواجه الإلكترونات بالفعل بنية متكررة في الفضاء لأن الذرات مرتبة في شبكة دقيقة. يحدد هذا التكرار المكاني مستويات الطاقة، المعروفة باسم النطاقات، التي يُسمح للإلكترونات بشغلها.

عندما يسلط الضوء بتردد معين على البلورة، فإنه يضيف تأثيرًا متكررًا ثانيًا، هذه المرة في الزمان بدلاً من المكان. عندما تتفاعل الفوتونات مع الإلكترونات بنمط إيقاعي، تتغير نطاقات الطاقة المسموح بها. ومن خلال ضبط تردد الضوء وكثافته بعناية، يمكن للباحثين إنشاء نطاقات طاقة هجينة تغير كيفية تحرك الإلكترونات وتفاعلها. تمنح هذه التغييرات مؤقتًا المادة خصائص جديدة، تشبه إلى حد كبير كيفية دمج نوتتين موسيقيتين لتكوين صوت جديد.

بمجرد إطفاء الضوء، تعود المادة إلى حالتها الأصلية. ولكن بينما يكون الدافع نشطًا، يستطيع العلماء بشكل فعال تلبيس المواد بسلوكيات كمومية جديدة.

لماذا الضوء وحده لم يكن كافيا

يقول شينغ تشو، طالب الدكتوراه في OIST: “حتى الآن، كانت هندسة Floquet مرادفة للمحركات الخفيفة”. “ولكن في حين أن هذه الأنظمة كانت مفيدة لإثبات وجود تأثيرات Floquet، فإن الأزواج الخفيفة ضعيفة الأهمية، مما يعني أن الترددات العالية جدًا، غالبًا على مقياس الفيمتو ثانية، مطلوبة لتحقيق التهجين. تميل مستويات الطاقة العالية هذه إلى تبخير المادة، وتكون التأثيرات قصيرة العمر للغاية. على النقيض من ذلك، تتطلب هندسة Floquet المثيرة كثافات أقل بكثير”.

أدى هذا القيد إلى إبقاء هندسة Floquet محصورة إلى حد كبير في العروض التوضيحية المعملية بدلاً من التطبيقات العملية.

ما الذي يجعل الإكسيتونات فعالة جدًا؟

تتشكل الإكسيتونات داخل أشباه الموصلات عندما تمتص الإلكترونات الطاقة وتقفز من وضعها الطبيعي في نطاق التكافؤ إلى مستوى طاقة أعلى يُعرف باسم نطاق التوصيل. هذه القفزة تترك وراءها فجوة مشحونة بشكل إيجابي. يظل الإلكترون والثقب مرتبطين ببعضهما البعض، مما يشكل شبه جسيم قصير العمر.

تحمل هذه الإكسيتونات بشكل طبيعي طاقة متذبذبة من الإثارة الأولية. تتفاعل هذه الطاقة مع الإلكترونات القريبة بترددات قابلة للتعديل. ونظرًا لأن الإكسيتونات مصنوعة من إلكترونات المادة نفسها، فإنها تتفاعل بقوة أكبر مع البنية المحيطة مقارنة بالضوء الخارجي.

“تحمل الإكسيتونات طاقة ذاتية التأرجح، ينقلها الإثارة الأولية، والتي تؤثر على الإلكترونات المحيطة في المادة بترددات قابلة للضبط. ونظرًا لأن الإكسيتونات يتم إنشاؤها من إلكترونات المادة نفسها، فإنها تقترن بالمادة بقوة أكبر بكثير من الضوء. والأهم من ذلك، أن الأمر يتطلب قدرًا أقل بكثير من الضوء لإنشاء مجموعة من الإكسيتونات كثيفة بما يكفي لتكون بمثابة محرك دوري فعال للتهجين، وهو ما لاحظناه الآن،” كما يوضح المؤلف المشارك البروفيسور جيانلوكا. ستيفانوتشي من جامعة روما تور فيرغاتا.

مراقبة تأثيرات الفلوكيه المثيرة في الوقت الحقيقي

يعتمد هذا الإنجاز على سنوات من أبحاث الإكسيتون في OIST وتطوير نظام TR-ARPES (التحليل الطيفي للانبعاثات الضوئية المُحددة للوقت والزاوية).

لفصل تأثيرات الضوء عن تأثيرات الإكسيتونات، قام الفريق بدراسة مادة شبه موصلة رقيقة ذريًا. قاموا أولاً بتطبيق محرك ضوئي قوي لمراقبة التغييرات في بنية النطاق الإلكتروني بشكل مباشر، مما يؤكد سلوك Floquet التقليدي. بعد ذلك، قاموا بتقليل شدة الضوء بأكثر من رتبة من حيث الحجم وفحصوا الاستجابة الإلكترونية بعد 200 فيمتوثانية. وقد سمح لهم هذا التوقيت بعزل التأثيرات الناجمة عن الإكسيتونات بدلًا من الضوء نفسه.

يقول الدكتور فيفيك باريك، خريج OIST وهو الآن زميل ما بعد الدكتوراه الرئاسي في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا: “لقد تحدثت التجارب عن نفسها”. “لقد استغرقنا عشرات الساعات من جمع البيانات لمراقبة نسخ Floquet باستخدام الضوء، ولكن حوالي ساعتين فقط لتحقيق Floquet المثير – وبتأثير أقوى بكثير.”

فتح الباب أمام هندسة الفلوكيه العملية

تؤكد النتائج أن تأثيرات Floquet لا تقتصر على الطرق المعتمدة على الضوء. ويمكن أيضًا توليدها بشكل موثوق باستخدام جسيمات بوزونية أخرى غير الفوتونات. تتطلب هندسة Floquet المثيرة طاقة أقل بكثير من الأساليب البصرية وتشير إلى مجموعة أدوات أوسع للتحكم في المواد الكمومية.

من الناحية النظرية، يمكن تحقيق تأثيرات مماثلة باستخدام إثارات أخرى مثل الفونونات (باستخدام الاهتزاز الصوتي)، أو البلازمونات (باستخدام الإلكترونات العائمة الحرة)، أو المغنونات (باستخدام المجالات المغناطيسية). تضع هذه الاحتمالات معًا الأساس لهندسة Floquet العملية والإنشاء المتحكم فيه للمواد والأجهزة الكمومية المتقدمة.

يخلص الدكتور ديفيد بيكون، المؤلف المشارك الأول للدراسة، والباحث السابق في OIST الآن في جامعة كوليدج لندن: “لقد فتحنا الأبواب أمام فيزياء فلوكيه التطبيقية، لمجموعة واسعة من البوزونات. وهذا أمر مثير للغاية، نظرا لقدرته القوية على إنشاء المواد الكمومية ومعالجتها مباشرة. ليس لدينا وصفة لهذا حتى الآن – ولكن لدينا الآن التوقيع الطيفي اللازم للخطوات العملية الأولى”.

المرجع: “قيادة فيزياء فلوكيه باستخدام الحقول المثيرة” 19 يناير 2026، فيزياء الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41567-025-03132-z

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.