تم التقاط رقصة الكم السرية للذرات لأول مرة

باستخدام أقوى ليزر للأشعة السينية في العالم، قام العلماء بتصوير الذرات وهي تؤدي رقصة كمومية أبدية لا تتوقف أبدًا – حتى عند الساعة الصفر المطلق. تكشف هذه الرؤية المباشرة الأولى على الإطلاق لحركة نقطة الصفر أن الجزيئات تهتز بأنماط متزامنة منظمة بشكل جميل بدلاً من الحركة العشوائية.

يكافح معظم الناس لفهم عالم الكم: وفقًا لمبدأ عدم اليقين لهايزنبرج، فإن ملاحظته تشبه مشاهدة راقص بينما يُسمح له برؤية موقعه أو سرعته، ولكن ليس كلاهما في نفس الوقت. ومع ذلك، فإن هذه “الرقصة” الكمومية ليست عشوائية. تتبع الحركات أنماطًا صارمة ومحددة جيدًا.

داخل الجزيئات، هذا السلوك غير العادي له تأثير مدهش. حتى عند الصفر المطلق، وهي درجة الحرارة التي يجب أن تختفي عندها كل الحركة، فإن الجزيء لا يصبح ساكنًا تمامًا أبدًا. تستمر ذراتها في حركة خافتة ومستمرة مدفوعة بما يسميه العلماء طاقة نقطة الصفر.

اختراق في قياس حركة نقطة الصفر

لعقود من الزمن، اعتقد الباحثون أن هذه الحركات الدقيقة لنقطة الصفر لا يمكن تتبعها بشكل مباشر. لقد تغير هذا الافتراض الآن. نجح فريق من جامعة جوته فرانكفورت والمؤسسات المتعاونة في رصدها في مركز XFEL الأوروبي بمدينة هامبورغ الألمانية، وهو أقوى ليزر أشعة سينية في العالم. ومن خلال إلقاء الضوء على الجزيئات الفردية وتسجيل لقطات سريعة لذراتها، كشف الفريق عن كل منها ذرةنمط الحركة التفصيلي.

يشرح البروفيسور تيل جانكي من معهد الفيزياء النووية في جامعة جوته فرانكفورت ومعهد ماكس بلانك للفيزياء النووية في هايدلبرغ: “الشيء المثير في عملنا هو أننا كنا قادرين على رؤية أن الذرات لا تهتز بشكل فردي فحسب، بل تهتز بطريقة مزدوجة، باتباع أنماط ثابتة. لقد قمنا بقياس هذا السلوك بشكل مباشر لأول مرة في جزيئات فردية متوسطة الحجم كانت أيضًا في أدنى حالاتها من الطاقة. حركة نقطة الصفر هذه هي ظاهرة ميكانيكية كمومية بحتة لا يمكن تفسيرها بشكل كلاسيكي.”

ويصف الفيزيائيون هذه الأنماط بأنها أنماط اهتزازية. من السهل نسبيًا توصيف الجزيئات البسيطة التي تحتوي على عدد قليل من الذرات فقط، لكن الوضع يصبح أكثر تعقيدًا مع نمو الجزيئات بشكل أكبر. قام الفريق بفحص اليودوبيريدين، الذي يحتوي على إحدى عشرة ذرة ويعرض 27 نمطًا اهتزازيًا مختلفًا يمتد عبر نطاق كامل من الحركة.

سنوات من البيانات تؤدي إلى اختراق

يقول جانكي: “هذه التجربة لها تاريخ طويل”. “لقد جمعنا البيانات في الأصل في عام 2019 خلال حملة قياس قادتها ريبيكا بول في XFEL الأوروبي، والتي كان لها هدف مختلف تمامًا. ولم ندرك إلا بعد مرور عامين أننا كنا نرى بالفعل علامات حركة نقطة الصفر. وجاء هذا الاختراق من خلال التعاون مع زملائنا من الفيزياء النظرية من مركز علوم الليزر الإلكترونية الحرة في هامبورغ. وقد توصل بينوا ريتشارد ولودجر إنهستر، على وجه الخصوص، إلى أساليب تحليل جديدة رفعت تفسيرنا للبيانات إلى مستوى جديد تمامًا. إذا نظرنا إلى الوراء، كان لا بد من تجميع العديد من قطع الألغاز معًا بشكل مثالي.

تصوير الجزيئات من خلال الانفجار المتحكم فيه

يتطلب التقاط الحركة بهذا المقياس تقنية غير تقليدية. في تصوير انفجار كولوم، تتسبب نبضات ليزر الأشعة السينية المكثفة والقصيرة جدًا في خضوع الجزيئات لتفكك متحكم فيه. يزيل النبض العديد من الإلكترونات من الجزيء، مما يترك الذرات مشحونة بشكل إيجابي. تتنافر هذه الذرات مع بعضها البعض بسرعة وتتطاير في أقل من جزء من تريليون من الثانية. تسجل أجهزة الكشف المتخصصة الوقت والمكان الذي تصل فيه الأجزاء، مما يسمح للعلماء بإعادة بناء البنية الأصلية للجزيء.

أصبح هذا النهج ممكنًا بفضل مجهر التفاعل COLTRIMS، وهي أداة تم تحسينها على مدار عدة عقود من قبل مجموعة الفيزياء الذرية في جامعة جوته. تم إنشاء نسخة مخصصة مصممة لجهاز XFEL الأوروبي بواسطة الدكتور جريجور كاستيركي أثناء بحث الدكتوراه. ويتأمل كاستيركي في هذا الإنجاز قائلاً: “إن مشاهدة مثل هذه النتائج الرائدة يجعلني أشعر بالفخر قليلاً. ففي نهاية المطاف، لم تتحقق هذه النتائج إلا من خلال سنوات من الإعداد والعمل الجماعي الوثيق”.

نافذة جديدة على السلوك الكمومي

تفتح النتائج التي توصل إليها الفريق طريقًا جديدًا نحو فهم العمليات الكمومية. ولأول مرة، أصبح من الممكن رؤية أنماط الحركة المعقدة ذات النقطة صفر في الجزيئات الأكبر حجمًا بشكل مباشر بدلاً من استنتاجها. يسلط هذا النجاح الضوء أيضًا على قدرات مجهر التفاعل COLTRIMS.

يقول جانكي: “نحن نعمل باستمرار على تحسين طريقتنا، ونخطط بالفعل للتجارب القادمة”. “هدفنا هو تجاوز رقصة الذرات ومراقبة رقصة الإلكترونات – وهي رقصة أسرع بكثير وتتأثر أيضًا بالحركة الذرية. باستخدام أجهزتنا، يمكننا تدريجيًا إنشاء أفلام قصيرة حقيقية للعمليات الجزيئية – وهو أمر لم يكن من الممكن تصوره في السابق.”

المرجع: “تصوير التقلبات الكمومية الجماعية لبنية الجزيء المعقد” بقلم بينوا ريتشارد، ريبيكا بول، سوراف بانيرجي، جوليا إم شيفر، زولتان جوريك، جريجور كاستيرك، كيليان فيري، ماركوس س. شوفلر، نيلز أندرس، توماس إم بومان، سيباستيان إيكارت، بنيامين إرك، ألبرتو دي فانيس، رينهارد دورنر، سفين غروندمان، باتريك غريشتول، ماكس هوفمان، ماركوس إلتشين، ماكس كيرشر، كاتارينا كوبيتسك، ماكسيم كونيتسكي، شيانغ لي، توماسو مازا، سيفيرين مايستر، نيكلاس ميلزر، جاكوبو مونتانو، فاليريجا ميوزيك، يفيني أوفتشارينكو، كريستوفر باسو، أندرياس بيير، نيلز رينهاك، جوناس ريست، دانييل إي ريفاس، دانيال رولز، إيلمي شليتشتينج، لوثار بي إتش شميدت، فيليب شميدت، دانييل ترابرت، فلوريان ترينتر، رينيه واجنر، بيتر والتر، باول زيولكوفسكي، أرتيم رودنكو، مايكل ماير، روبن سانترا، لودجر إنهستر وتيل جانكي، 7 أغسطس 2025، علوم.
دوى: 10.1126/science.adu2637

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