المواد الصلبة الفائقة غريبة حالة المادة تم تعريفه بواسطة ميكانيكا الكم حيث تتكثف الجزيئات لتشكل مادة صلبة بلورية منظمة ولكنها تتحرك أيضًا مثل السائل الذي ليس له لزوجة. (تشير اللزوجة إلى الاحتكاك الداخلي للمادة، والذي يحكم مدى سلاسة تدفقها). عادةً، لا تتحرك المواد الصلبة من تلقاء نفسها، لكن المواد الصلبة الفائقة تغير اتجاهها وكثافتها اعتمادًا على تفاعلات الجسيمات مع الحفاظ على بنية شبكية منظمة.

تتطلب المواد الصلبة الفائقة درجات حرارة منخفضة للغاية لتتشكل، وعادةً ما تكون قريبة جدًا من درجات الحرارة الصفر المطلق (سالب 459.67 درجة فهرنهايت، أو -273.15 درجة مئوية). يجب أن تحتل معظم الجسيمات أدنى حالة طاقة متاحة، والحرارة تجعل الجسيمات تقفز لأعلى ولأسفل مثل الأطفال الصغار المنفعلين في حفرة الكرة.

إذا كانت المادة باردة بدرجة كافية، فإن درجة الحرارة لم تعد تحجب كيفية تفاعل الجزيئات مع بعضها البعض. وبدلاً من ذلك، تصبح التأثيرات الصغيرة لميكانيكا الكم هي العوامل المحددة لكيفية تصرف المادة.

تخيل أن الأطفال الصغار قد عادوا إلى المنزل واستقرت منطقة الكرة في حالة هادئة. يمكننا الآن أن ندرس بسلام كيف تتفاعل المكونات الفردية لحفرة الكرة مع بعضها البعض لتحديد خصائصها.

اللزوجة هي مقياس لمدى سهولة تغيير شكل السائل. يميل السائل ذو اللزوجة العالية إلى الالتصاق بنفسه أكثر، وبالتالي يقاوم الحركة، مثلما يتحرك الشراب بشكل أبطأ عند سكبه من وعاء مقارنة بكيفية تدفق الماء من الصنبور. جميع السوائل، باستثناء السوائل الفائقة والمواد الصلبة الفائقة، لها قدر معين من اللزوجة.

المثال الأكثر شهرة لسائل عديم اللزوجة هو الهيليوم الذي يتم تبريده إلى درجات حرارة ضمن بضع درجات من الصفر المطلق. الجسيمات ليست ثابتة تمامًا عند الصفر المطلق؛ – إنهم يتذبذبون قليلاً بسبب مبدأ عدم اليقين. في حالة نظير الهيليوم-4، فهي تهتز كثيرًا، وهو ما يكفي لجعل من المستحيل أن تصبح عينة من الهيليوم-4 صلبة عند الصفر المطلق، ما لم يكن هناك ما يعادل 25 ضغطًا جويًا مطبقًا لسحق الجزيئات معًا.

يتسبب تذبذب الهيليوم-4 عند الصفر المطلق والظواهر الكمومية الأخرى في بعض التغييرات الجذرية في كيفية عمل السائل. فهو يتوقف عن الاحتكاك (وبالتالي ليس لديه لزوجة) ويمكنه سحب نفسه بسرعة من الحاويات، من بين أشياء أخرى.

لقد كانت المواد الصلبة الفائقة مصنوعة من الغازات الذرية قبل. ومع ذلك، استخدم البحث الجديد آلية جديدة تعتمد على خصائص أنظمة “البولاريتون”.

تتشكل البولاريتونات عن طريق اقتران الفوتونات (الضوء) وأشباه الجسيمات مثل الإكسيتونات من خلال تفاعلات كهرومغناطيسية قوية. خصائصها تسمح لها بالتكثيف إلى أدنى حالة طاقة ممكنة بطريقة مشابهة لبعض الغازات الذرية. بمعنى آخر، يقترن الضوء بالمادة، ويمكن تكثيفهما معًا إلى مادة صلبة فائقة.

تعتبر المواد الصلبة الفائقة مهمة للدراسة لأنها تظهر تأثيرات التفاعلات الكمومية الصغيرة بين الجسيمات دون أن تعيق درجة الحرارة الطريق. عندما نرسم سلوك وخصائص المواد الصلبة الفائقة، فإننا ننظر حقًا إلى كيفية تجميع الذرات والجسيمات معًا. هذا يعلمنا عن العالم الذي نعيش فيه على المستوى الأساسي.

مع المزيد من البحث والتطوير، يمكن استخدام المواد الصلبة الفائقة الحوسبة الكمومية, الموصلات الفائقةومواد التشحيم عديمة الاحتكاك والتطبيقات التي لم نبدأ حتى في التفكير فيها بعد. هناك الكثير من الاحتمالات التي لم نكتشفها بعد، ويعد صنع مادة صلبة فائقة من الضوء خطوة كبيرة إلى الأمام.

ملاحظة المحرر: تم تحديث هذه المقالة في 31 مارس لتصحيح خطأ ما. وقالت نسخة سابقة إن الدراسة الجديدة نشرت في مجلة ساينس، في حين أنها نشرت في الواقع في مجلة نيتشر.