تم العثور على أمر خفي داخل الفوضى الكمومية

لقد اكتشف العلماء نظامًا مغناطيسيًا مخفيًا داخل الفجوة الزائفة، مما يقربنا من هندسة الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية.

لقد حدد الفيزيائيون وجود صلة بين المغناطيسية وحالة غير عادية من المادة تعرف باسم الفجوة الزائفة. تظهر هذه المرحلة في بعض المواد الكمومية عند درجات حرارة أعلى بقليل من النقطة التي تصبح فيها موصلات فائقة. قد يساعد هذا الاكتشاف العلماء على تصميم مواد جديدة ذات خصائص قيمة، بما في ذلك الموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية، حيث يتحرك التيار الكهربائي دون أي مقاومة.

وللكشف عن هذا الارتباط، استخدم الباحثون جهاز محاكاة كميًا تم تبريده إلى درجات حرارة أعلى بقليل الصفر المطلق. ولاحظوا نمطًا ثابتًا في كيفية تأثير الإلكترونات على الاتجاه المغناطيسي للإلكترونات القريبة أثناء تبريد النظام. وبما أن الإلكترونات يمكن أن تدور لأعلى أو لأسفل، فإن هذه التفاعلات تشكل السلوك المغناطيسي للمادة. يمثل هذا العمل تقدمًا مهمًا في فهم الموصلية الفائقة غير التقليدية، ويتضمن تعاونًا وثيقًا بين الفيزيائيين التجريبيين في معهد ماكس بلانك للبصريات الكمومية في ألمانيا والمنظرين، بما في ذلك أنطوان جورج، مدير مركز فيزياء الكم الحاسوبية (CCQ) في معهد فلاتيرون التابع لمؤسسة سيمونز في مدينة نيويورك.

نشر الفريق النتائج التي توصل إليها خلال أسبوع 19 يناير في مجلة وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.

لماذا تعتبر الفجوة الزائفة مهمة؟

تمت دراسة الموصلية الفائقة لعقود من الزمن بسبب قدرتها على تحويل تقنيات تتراوح من شبكات الطاقة إلى أجهزة الكمبيوتر الكمومية. وعلى الرغم من هذه الجهود، لا يزال العلماء لا يفهمون تمامًا كيفية ظهور الموصلية الفائقة، خاصة في المواد التي تعمل عند درجات حرارة عالية نسبيًا.

في العديد من الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية، لا تنشأ مرحلة التوصيل الفائق مباشرة من حالة معدنية نموذجية. وبدلا من ذلك، تدخل المادة أولا في مرحلة الفجوة الزائفة. خلال هذه المرحلة، تتصرف الإلكترونات بطرق غير متوقعة، ويتناقص عدد الحالات المتاحة للتدفق الكهربائي. يعتقد الباحثون على نطاق واسع أن فهم الفجوة الزائفة ضروري لشرح كيفية تشكل الموصلية الفائقة وتطوير مواد ذات أداء أفضل.

المغناطيسية تحت الاضطراب

عندما تحتوي المادة على العدد المعتاد من الإلكترونات، تميل تلك الإلكترونات إلى تشكيل ترتيب مغناطيسي أنيق يسمى المغناطيسية المضادة. في هذا النمط، تشير دورانات الإلكترون المجاورة في اتجاهين متعاكسين، على غرار تسلسل منسق تمامًا من اليسار إلى اليمين.

يتم تعطيل هذا النظام عندما تتم إزالة الإلكترونات من خلال عملية تسمى المنشطات. لسنوات عديدة، افترض العلماء أن المنشطات تقضي تمامًا على النظام المغناطيسي بعيد المدى. تتحدى دراسة PNAS الجديدة هذا الافتراض. وفي درجات حرارة منخفضة للغاية، وجد الباحثون أن شكلًا خفيًا من التنظيم يستمر، على الرغم من أن النظام يبدو مضطربًا. تم توجيه هذا العمل التجريبي بواسطة الأبحاث النظرية السابقة حول الفجوة الزائفة تم تنفيذها في كلية المجتمع في قطر، مما أدى إلى إعداد ورقة بحثية في عام 2024 علوم.

من الفوضى إلى النظام العالمي

لاستكشاف هذه التأثيرات، اعتمد الفريق على نموذج فيرمي-هابارد، وهو وصف نظري مستخدم على نطاق واسع لكيفية تفاعل الإلكترونات داخل المواد الصلبة. وبدلاً من دراسة المواد الحقيقية، أعاد الباحثون إنشاء النموذج باستخدام ذرات الليثيوم المبردة إلى أجزاء من المليار من الدرجة فوق الصفر المطلق. تم حفظ هذه الذرات في شبكة بصرية يتم التحكم فيها بدقة والتي تم تشكيلها بواسطة ضوء الليزر.

شديد البرودة ذرة تسمح أجهزة المحاكاة الكمومية للعلماء بإعادة إنتاج السلوك المادي المعقد في ظل ظروف لا يمكن تحقيقها في تجارب الحالة الصلبة التقليدية. وباستخدام مجهر الغاز الكمومي، الذي يمكنه تصوير الذرات الفردية واكتشاف اتجاهها المغناطيسي، جمع الفريق أكثر من 35000 صورة تفصيلية. التقطت هذه اللقطات المواقع الذرية والارتباطات المغناطيسية عبر العديد من درجات الحرارة ومستويات المنشطات.

يقول جورج: “من اللافت للنظر أن أجهزة المحاكاة التناظرية الكمومية المعتمدة على ذرات فائقة البرودة يمكن الآن تبريدها إلى درجات حرارة تظهر فيها ظواهر جماعية كمومية معقدة”.

التوقيع المغناطيسي العالمي

ولاحظ الباحثون نتيجة مذهلة. يوضح المؤلف الرئيسي توماس تشالوبين من معهد ماكس بلانك للبصريات الكمومية: “تتبع الارتباطات المغناطيسية نمطًا عالميًا واحدًا عند رسمها مقابل مقياس درجة حرارة محدد”. “وهذا المقياس مشابه لدرجة حرارة الفجوة الكاذبة، وهي النقطة التي تظهر عندها الفجوة الكاذبة.” يوضح هذا الاكتشاف أن الفجوة الزائفة مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بهياكل مغناطيسية خفية مخبأة تحت ما يشبه العشوائية.

وكشفت الدراسة أيضًا أن الإلكترونات في هذا النظام تتفاعل بطرق أكثر تعقيدًا مما كان يُعتقد سابقًا. وبدلاً من تشكيل أزواج بسيطة، فإنها تنتظم في مجموعات أكبر ومتعددة الجسيمات. إن وجود مادة إشابة واحدة يمكن أن يخل بالنظام المغناطيسي عبر منطقة واسعة بشكل مدهش. على عكس التجارب السابقة التي كانت تقيس التفاعلات بين إلكترونين في نفس الوقت، فقد سجل هذا العمل ارتباطات تتضمن ما يصل إلى خمسة جسيمات في وقت واحد، وهو مستوى من التفصيل لم يصل إليه سوى عدد قليل من المختبرات في جميع أنحاء العالم.

الكشف عن الارتباطات الخفية

بالنسبة للمنظرين، تقدم النتائج معيارًا جديدًا لاختبار نماذج الفجوة الزائفة. وعلى نطاق أوسع، فإن النتائج تقرب العلماء من فهم كيفية نشوء الموصلية الفائقة في درجات الحرارة المرتفعة من الحركة الجماعية للإلكترونات المتفاعلة والراقصة. يشرح تشالوبين: “من خلال الكشف عن الترتيب المغناطيسي الخفي في الفجوة الزائفة، فإننا نكشف عن إحدى الآليات التي قد تكون مرتبطة في النهاية بالموصلية الفائقة”.

ويؤكد البحث أيضًا على قيمة التنسيق الوثيق بين النظرية والتجربة. ومن خلال الجمع بين التنبؤات التفصيلية وعمليات المحاكاة الكمومية التي يتم التحكم فيها بعناية، تمكن الفريق من اكتشاف الأنماط التي كانت ستظل غير مرئية لولا ذلك.

يجمع هذا التعاون الدولي بين الدقة التجريبية والبصيرة النظرية. تهدف التجارب المستقبلية إلى تبريد النظام بشكل أكبر، والبحث عن أشكال إضافية من النظام، وتطوير طرق جديدة لمراقبة المادة الكمومية من وجهات نظر جديدة.

يقول جورج: “تدخل عمليات المحاكاة الكمومية التناظرية مرحلة جديدة ومثيرة، تتحدى الخوارزميات الكلاسيكية التي نطورها في كلية المجتمع في قطر”. “وفي الوقت نفسه، تتطلب هذه التجارب توجيهًا من النظرية والمحاكاة الكلاسيكية. أصبح التعاون بين المنظرين والتجريبيين أكثر أهمية من أي وقت مضى.”

المرجع: “ملاحظة القياس الناشئ لعلاقات الشحنة الدورانية في بداية الفجوة الكاذبة” 19 يناير 2026، وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.
دوى: 10.1073/pnas.2525539123

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