اكتشف الفيزيائيون حالة كمية جديدة للمادة من أجل التقنيات المستقبلية

اكتشف باحثون من جامعة رايس بقيادة كيمياو شي حالة كمية فريدة من نوعها للمادة يمكنها الجمع بين مجالين رئيسيين في الفيزياء: الحرجية الكمومية وطوبولوجيا الإلكترون. الاكتشاف الذي نشر في فيزياء الطبيعةيمكن أن يصبح الأساس لإنشاء أجهزة كمومية جديدة، بما في ذلك أجهزة استشعار فائقة الدقة وأنظمة حوسبة موفرة للطاقة ومواد جديدة.

قال شي، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك في هاري كيه وأولغا فايس: “هذه خطوة أساسية إلى الأمام. يُظهر عملنا أن التأثيرات الكمومية القوية يمكن أن تتفاعل لإنشاء خصائص جديدة تمامًا تمهد الطريق لتقنيات المستقبل”.

الحرجية الكمومية والطوبولوجيا

تصف الحرجية الكمومية سلوك الإلكترونات أثناء تقلبها بين مراحل مختلفة، مثل الماء على وشك التجمد أو الغليان. تدرس الطوبولوجيا في فيزياء الكم التكوينات المستقرة لوظيفة موجة الإلكترون التي يتم الحفاظ عليها عندما يتغير هيكل المادة. في السابق، تمت دراسة هذه الظواهر بشكل منفصل: تم العثور على الطوبولوجيا في المواد ذات التفاعلات الضعيفة، وتم العثور على الحرجية في الأنظمة ذات الإلكترونات شديدة الارتباط.

واقترح فريق شي نموذجًا نظريًا يدمج هذه التأثيرات. لقد أظهروا أن التفاعلات القوية بين الإلكترونات يمكن أن تؤدي إلى سلوك طوبولوجي، مما يخلق حالة هجينة.

يقول لي تشين، وهو طالب دراسات عليا في جامعة رايس ومؤلف مشارك في الورقة البحثية: “لقد فوجئنا بأن الحرجية الكمومية نفسها يمكن أن تولد تأثيرات طوبولوجية في التفاعلات القوية”.

التأكيد التجريبي

تم تأكيد الاستنتاجات النظرية من قبل المجربين من جامعة فيينا التقنية تحت قيادة سيلك باشين. لقد درسوا مادة تحتوي على فرميونات ثقيلة، حيث تتصرف الإلكترونات الموجودة فيها كجسيمات أكبر بكثير بسبب التفاعلات. تطابق السلوك المرصود مع توقعات الفريق النظري وأظهر علامات على حالة كمومية طوبولوجية جديدة.

إمكانات التكنولوجيا

إن الجمع بين الحرجية الكمومية والطوبولوجيا يفتح المجال أمام فرص لتطوير تقنيات الكم. توفر الخصائص الطوبولوجية مقاومة للمؤثرات الخارجية، وتعزز الحرجية التشابك الكمي، مما يجعل الأنظمة أكثر حساسية ويمكن التحكم فيها. وهذا مهم لأجهزة الاستشعار والموصلات الفائقة وأجهزة الحوسبة منخفضة الطاقة.

يشرح شي قائلاً: “نتائجنا تسد فجوة في فيزياء المادة المكثفة. فالتفاعلات الإلكترونية القوية لا تدمر الخصائص الطوبولوجية، ولكنها يمكن أن تخلقها. وهذا يفتح حالة جديدة لها آثار عملية على التكنولوجيا”.

كيف سيساعد هذا في إنشاء مواد جديدة

يجعل هذا الاكتشاف من الممكن البحث بشكل منهجي عن أو تصميم المواد الموجودة في النقطة الحرجة الكمومية والقادرة على تشكيل الهياكل الطوبولوجية. يمنح هذا النهج العلماء أداة لتطوير مواد ذات خصائص كمومية يمكن التنبؤ بها وتحسين أداء الأجهزة الإلكترونية وأجهزة الاستشعار.

ويضيف شي: “إن فهم مكان البحث عن هذه التأثيرات يمنحنا الفرصة للانتقال من النظرية إلى التقنيات الحقيقية القائمة على فيزياء الكم الأساسية”.