يعطي الفيزيائيون مرحلة جديدة غريبة من المادة بعدًا إضافيًا

بالعربي/ يمكن أن تتحرك ذرات المواد الصلبة الفائقة دون أن تفقد الطاقة أبدًا

ابتكر الفيزيائيون أول مادة صلبة فائقة ثنائية الأبعاد – وهي مرحلة غريبة من المادة تتصرف مثل سائل صلب وعديم الاحتكاك في نفس الوقت.

المواد الصلبة الفائقة هي مواد يتم ترتيب ذراتها في بنية بلورية منتظمة ومتكررة ، ومع ذلك فهي أيضًا قادرة على التدفق إلى الأبد دون أن تفقد أي طاقة حركية على الإطلاق. على الرغم من خصائصها الغريبة ، والتي يبدو أنها تنتهك العديد من قوانين الفيزياء المعروفة ، فقد توقعها علماء الفيزياء منذ فترة طويلة نظريًا – ظهرت لأول مرة كاقتراح في عمل الفيزيائي يوجين جروس في وقت مبكر من عام 1957.

الآن ، باستخدام الليزر والغازات فائقة البرودة ، قام الفيزيائيون أخيرًا بإقناع مادة صلبة فائقة في بنية ثنائية الأبعاد ، وهو تقدم يمكن أن يمكّن العلماء من كسر الفيزياء الأعمق وراء الخصائص الغامضة لمرحلة المادة الغريبة.

من الأمور ذات الأهمية الخاصة للباحثين كيفية تصرف المواد الصلبة الفائقة ثنائية الأبعاد عندما يتم لفها في دائرة ، جنبًا إلى جنب مع الدوامات أو الدوامات الصغيرة التي ستظهر بداخلها.

“نتوقع أن يكون هناك الكثير لنتعلمه من دراسة التذبذبات الدورانية ، على سبيل المثال ، بالإضافة إلى الدوامات التي يمكن أن توجد داخل نظام ثنائي الأبعاد بسهولة أكبر بكثير مما هي عليه في 1D” ، هذا ما قاله المؤلف الرئيسي ماثيو نورسيا ، عالم فيزياء في معهد الكم بجامعة إنسبروك علم البصريات والمعلومات الكمية (IQOQI) في النمسا ، لـ Live Science في رسالة بريد إلكتروني. 

لإنشاء مادة صلبة فائقة ، علق الفريق سحابة من الديسبروسيوم -164 ذرة داخل ملاقط بصرية قبل تبريد الذرات إلى ما فوق الصفر كلفن (ناقص 459.67 درجة فهرنهايت ، أو ناقص 273.15 درجة مئوية) باستخدام تقنية تسمى التبريد بالليزر. 

عادةً ما يؤدي إطلاق الليزر على الغاز إلى تسخينه ، ولكن إذا كانت الفوتونات (جزيئات الضوء) في شعاع الليزر تتحرك في الاتجاه المعاكس لجزيئات الغاز المتحركة ، فيمكن أن تتسبب في الواقع في إبطاء وتبريد جزيئات الغاز. بعد تبريد ذرات الديسبروسيوم بأقصى ما يمكن باستخدام الليزر ، فك الباحثون “قبضة” ملاقطهم الضوئية ، مما خلق مساحة كافية للهروب من الذرات الأكثر نشاطًا. 

نظرًا لأن الجسيمات “الأكثر دفئًا” تهتز أسرع من الجسيمات الأكثر برودة ، فإن هذه التقنية ، التي تسمى التبريد التبخيري ، تترك للباحثين فقط ذراتهم فائقة التبريد ؛ وقد تم تحويل هذه الذرات إلى مرحلة جديدة من المادة – تكاثف بوز-آينشتاين : مجموعة من الذرات التي تم تبريدها بشكل فائق داخل نطاق شعرة يساوي الصفر المطلق . 

عندما يتم تبريد الغاز إلى درجة حرارة قريبة من الصفر ، تفقد كل ذراته طاقتها ، وتدخل في نفس حالات الطاقة. نظرًا لأنه لا يمكننا التمييز بين الذرات المتطابقة في سحابة غازية إلا من خلال النظر إلى مستويات طاقتها ، فإن هذا التكافؤ له تأثير عميق: السحابة المتباينة ذات مرة من الذرات المهتزة والقفزة والمتصادمة التي تشكل غازًا أكثر دفئًا تصبح بعد ذلك ، من وجهة نظر ميكانيكا الكم ، متطابقة تمامًا. 

هذا يفتح الباب أمام بعض التأثيرات الكمية الغريبة حقًا . تقول إحدى القواعد الأساسية للسلوك الكمي ، مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ ، إنه لا يمكنك معرفة موقع الجسيم وزخمه بدقة مطلقة. ومع ذلك ، الآن بعد أن توقفت ذرات بوز-آينشتاين المكثفة عن الحركة ، أصبح كل زخمها معروفًا. يؤدي هذا إلى أن مواقع الذرات تصبح غير مؤكدة لدرجة أن الأماكن التي من المحتمل أن تشغلها تنمو لتصبح أكبر في المساحة من المسافات بين الذرات نفسها. 

فبدلاً من الذرات المنفصلة ، تعمل الذرات المتداخلة في كرة بوز-آينشتاين الغامضة كما لو كانت مجرد جسيم عملاق واحد. وهذا يعطي بعض مكثفات بوز-آينشتاين خاصية السيولة الفائقة – مما يسمح لجزيئاتها بالتدفق دون أي احتكاك. في الواقع ، إذا كنت تريد تحريك كوب من سائل بوز-آينشتاين فائق السوائل ، فلن يتوقف عن الدوران. 

استخدم الباحثون الديسبروسيوم -164 (نظير الديسبروسيوم) لأنه (بجانب جاره في الجدول الدوري الهولميوم) هو الأكثر مغناطيسية من أي عنصر تم اكتشافه. هذا يعني أنه عندما تم تبريد ذرات الديسبروسيوم -164 بشكل فائق ، بالإضافة إلى أن تصبح مائعًا فائقًا ، فإنها تتجمع أيضًا معًا في قطرات ، وتلتصق ببعضها البعض مثل مغناطيس بار صغير. المحتوى ذي الصلة

قال نورسيا ، من خلال “الضبط الدقيق للتوازن بين التفاعلات المغناطيسية بعيدة المدى وتفاعلات التلامس قصيرة المدى بين الذرات” ، تمكن الفريق من صنع أنبوب طويل أحادي البعد من القطرات التي تحتوي أيضًا على ذرات تتدفق بحرية – وهي مادة صلبة فائقة أحادية الأبعاد. . كان هذا عملهم السابق.

لتحقيق قفزة من 1D إلى 2D supersolid ، استخدم الفريق مصيدة أكبر وأسقط شدة حزم الملاقط الضوئية في اتجاهين. هذا ، جنبًا إلى جنب مع الاحتفاظ بما يكفي من الذرات في المصيدة للحفاظ على كثافة عالية بما يكفي ، سمح لهم أخيرًا بإنشاء هيكل متعرج من القطرات ، على غرار أنبوبين متوازين 1D يجلسان بجوار بعضهما البعض ، ثنائي الأبعاد فائق الصلابة.

مع مهمة إنشائه وراءهم ، يريد الفيزيائيون الآن استخدام مادة صلبة فائقة ثنائية الأبعاد لدراسة جميع الخصائص التي تنشأ من وجود هذا البعد الإضافي. على سبيل المثال ، يخططون لدراسة الدوامات التي تظهر وتحتجز بين قطيرات المصفوفة ، خاصة وأن دوامات الذرات الدوامة هذه ، على الأقل من الناحية النظرية ، يمكن أن تدور إلى الأبد.

هذا أيضًا يقرب الباحثين خطوة واحدة من المواد الصلبة الفائقة الحجم ، ثلاثية الأبعاد ، التي تصورتها المقترحات المبكرة مثل Gross ، وحتى الخصائص الغريبة التي قد تكون لديهم.

لمصدر/ livescience.comالمترجم/barabic.com