قام الباحثون في جامعة TU Wien بتطوير “سلك كمي” أحادي البعد باستخدام غاز من الذرات فائقة البرودة. في هذا النظام، يمكن لكل من الكتلة والطاقة التحرك بحرية دون احتكاك أو فقدان للطاقة.

في الفيزياء اليومية، يشير النقل إلى حركة شيء ما من مكان إلى آخر. يمكن أن يشمل ذلك انتقال الكهرباء عبر سلك، أو انتشار الحرارة عبر المعدن، أو تدفق الماء داخل الأنبوب. في كل حالة، يعتمد سلوك التدفق على مدى حرية حركة الشحنة أو الطاقة أو الكتلة عبر المادة.

في الظروف العادية، تخلق التفاعلات مثل الاصطدامات والاحتكاك مقاومة، مما يؤدي إلى إضعاف هذه التدفقات تدريجيًا أو إيقافها. الباحثون في جامعة فيينا للتكنولوجيا لقد أظهرنا الآن استثناءً غير عادي لهذا السلوك المألوف.

في تجربتهم، تم تقييد آلاف ذرات الروبيديوم للتحرك على طول خط واحد فقط بواسطة مجالات مغناطيسية وبصرية يتم التحكم فيها بعناية. أنتج هذا الإعداد غازًا كميًا فائق البرودة يمكن أن تتحرك فيه كل من الطاقة والكتلة دون أي خسارة على الإطلاق. النتائج، ذكرت في المجلة علوميوضح أن التدفق يظل ثابتًا حتى بعد حدوث عدد هائل من الاصطدامات بين الذرات. يشير هذا الاستقرار المفاجئ إلى شكل من أشكال النقل يتصرف بشكل مختلف تمامًا عما نشاهده في المواد العادية.

نوعين من النقل

يقول فريدريك مولر من معهد أتومينستوت بجامعة TU Wien: “من حيث المبدأ، هناك نوعان مختلفان تمامًا من ظواهر النقل”. “نحن نتحدث عن النقل الباليستي عندما تتحرك الجسيمات بحرية وتغطي ضعف المسافة في ضعف الوقت – مثل رصاصة تتحرك في خط مستقيم.”

هناك أيضًا النقل المنتشر، والذي ينشأ من العديد من الاصطدامات العشوائية. يعد التوصيل الحراري إحدى هذه العمليات المنتشرة: عندما تلتقي بعض الجسيمات الساخنة مع الجسيمات الباردة، فإنها تتقاسم الطاقة والزخم تدريجيًا حتى، في المتوسط، تتمتع جميعها بنفس درجة الحرارة. يقول مولر: “هذا النوع من النقل ليس خطيًا”. “لقطع مسافة مضاعفة، تحتاج عادةً إلى أربعة أضعاف المدة.”

في تجربة TU Wien، تصرفت الذرات بشكل مختلف تمامًا. يقول مولر: “من خلال دراسة التيار الذري، يمكننا أن نرى أن الانتشار قد تم قمعه بالكامل عمليًا”. “يتصرف الغاز كموصل مثالي؛ على الرغم من حدوث عدد لا يحصى من الاصطدامات بين الذرات، فإن كميات مثل الكتلة والطاقة تتدفق بحرية، دون أن تتبدد في النظام.”

مثل مهد نيوتن

يمكن فهم هذا السلوك غير المعتاد من خلال تشبيهه بمهد نيوتن، وهي اللعبة المكتبية المألوفة التي تحتوي على صف من الكرات المعدنية المتأرجحة. عندما يتم سحب إحدى الكرات إلى الخلف وإطلاقها، فإنها تنقل زخمها مباشرة من خلال الكرات الأخرى إلى الكرة الموجودة على الطرف المقابل، والتي تتأرجح للخارج كما لو لم تمس.

يوضح مولر: “لا يمكن للذرات الموجودة في نظامنا أن تتصادم إلا في اتجاه واحد”. “إن زخمهم ليس متناثرا، بل يتم تبادله ببساطة بين شركاء الاصطدام. كل منهم ذرةيظل زخمه محفوظًا، ولا يمكن نقله إلا دون فقدانه أبدًا.

وكما هو الحال في مهد نيوتن، تستمر الحركة في السلك الذري دون تخميد. يمكن أن ينتقل الزخم والطاقة عبر الغاز إلى أجل غير مسمى بدلاً من أن يتبددا كما هو الحال في المادة العادية.

يقول مولر: “توضح هذه النتائج سبب عدم تسخين مثل هذه السحابة الذرية، ولماذا لا توزع طاقتها وفقًا للقوانين المعتادة للديناميكا الحرارية”. “إن دراسة النقل في ظل هذه الظروف التي يتم التحكم فيها تمامًا يمكن أن تفتح طرقًا جديدة لفهم كيفية ظهور المقاومة أو اختفاءها على المستوى الكمي”.

المرجع: “توصيف النقل في الغاز الكمي عن طريق قياس أوزان درود” بقلم فيليب شوتيلكوبف، ومحمدامين طاجيك، وناتاليا بازان، وفيديريكا كاتالديني، وسي كونغ جي، ويورج شميدماير، وفريدريك مولر، 27 نوفمبر 2025، علوم.
دوى: 10.1126/science.ads8327

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