تم تأكيد التنبؤ الغريب بفيزياء الجسيمات البالغ من العمر 67 عامًا أخيرًا

بعد مرور 67 عامًا على تنبؤ ديفيد باينز النظري، تم اكتشاف الجسيم “الشيطان” بعيد المنال، وهو كيان عديم الكتلة ومحايد في المواد الصلبة، في روثينات السترونتيوم، مما يؤكد قيمة مناهج البحث المبتكرة.

في عام 1956، تنبأ عالم الفيزياء النظرية ديفيد باينز بأن الإلكترونات الموجودة في المادة الصلبة يمكنها أن تفعل شيئًا غريبًا. على الرغم من أن الإلكترونات عادة ما يكون لها كتلة وشحنة كهربائية، أكد باينز أنها يمكن أن تتحد لتكوين جسيم مركب عديم الكتلة، ومحايد، ولا يتفاعل مع الضوء. أطلق على هذا الجسيم النظري اسم “الشيطان”. منذ ذلك الحين، تم الافتراض بأنه يلعب دورًا مهمًا في سلوكيات مجموعة واسعة من المعادن. ولسوء الحظ، فإن نفس الخصائص التي تجعله مثيرًا للاهتمام قد سمحت له بالمراوغة من الكشف منذ توقعه.

بعد مرور 67 عامًا، اكتشف فريق بحث بقيادة بيتر أبامونتي، أستاذ الفيزياء في جامعة إلينوي أوربانا شامبين (UIUC)، أخيرًا شيطان باينز المراوغ. كما أفاد الباحثون في المجلة طبيعةاستخدموا تقنية تجريبية غير قياسية تعمل بشكل مباشر على إثارة الأنماط الإلكترونية للمادة، مما يسمح لهم برؤية توقيع الشيطان في معدن السترونتيوم روثينات.

وقال أبامونتي: “لقد تم تخمين الشياطين نظريًا لفترة طويلة، لكن التجريبيين لم يدرسوها أبدًا”. “في الواقع، لم نكن نبحث عنه حتى. ولكن اتضح أننا كنا نفعل الشيء الصحيح تمامًا، وقد وجدناه”.

الشيطان بعيد المنال

أحد أهم اكتشافات فيزياء المادة المكثفة هو أن الإلكترونات تفقد فرديتها في المواد الصلبة. التفاعلات الكهربائية تجعل الإلكترونات تتحد لتشكل وحدات جماعية. ومع وجود ما يكفي من الطاقة، يمكن للإلكترونات أن تشكل جسيمات مركبة تسمى البلازمونات بشحنة وكتلة جديدة تحددها التفاعلات الكهربائية الأساسية. ومع ذلك، فإن الكتلة عادة ما تكون كبيرة جدًا بحيث لا يمكن للبلازمونات أن تتشكل مع الطاقات المتوفرة في درجة حرارة الغرفة.

وجدت باينز استثناءً. إذا كانت المادة الصلبة تحتوي على إلكترونات في أكثر من نطاق طاقة واحد، كما هو الحال مع العديد من المعادن، فقد جادل بأن البلازمونات الخاصة بها يمكن أن تتحد في نمط خارج الطور لتشكل بلازمونًا جديدًا عديم الكتلة ومحايدًا: شيطان. وبما أن الشياطين عديمة الكتلة، فإنها يمكن أن تتشكل بأي طاقة، لذلك يمكن أن تتواجد في جميع درجات الحرارة. وقد أدى هذا إلى تكهنات بأن لها تأثيرات مهمة على سلوك المعادن متعددة النطاقات.

حياد الشياطين يعني أنهم لا يتركون أي توقيع في تجارب المادة المكثفة القياسية. وقال أبامونتي: “إن الغالبية العظمى من التجارب تتم باستخدام الضوء وقياس الخصائص البصرية، ولكن كونها محايدة كهربائياً يعني أن الشياطين لا تتفاعل مع الضوء”. “كانت هناك حاجة إلى نوع مختلف تمامًا من التجارب.”

اكتشاف غير متوقع

يتذكر أبامونتي أنه ومعاونوه كانوا يدرسون روثينيت السترونتيوم لسبب غير ذي صلة، فالمعدن يشبه الموصلات الفائقة عند درجة الحرارة العالية دون أن يكون كذلك. وعلى أمل العثور على أدلة حول سبب حدوث هذه الظاهرة في الأنظمة الأخرى، أجروا أول مسح للخصائص الإلكترونية للمعدن.

قامت المجموعة البحثية التي يرأسها يوشي ماينو، أستاذ الفيزياء في جامعة كيوتو، بتجميع عينات عالية الجودة من المعدن الذي فحصه أبامونتي وطالب الدراسات العليا السابق علي حسين باستخدام التحليل الطيفي لفقد طاقة الإلكترون الذي تم حل الزخم فيه. وهي تقنية غير قياسية، وتستخدم الطاقة من الإلكترونات التي يتم إطلاقها في المعدن لمراقبة خصائص المعدن بشكل مباشر، بما في ذلك البلازمونات التي تتشكل. وبينما كان الباحثون يبحثون في البيانات، وجدوا شيئًا غير عادي: وضع إلكتروني بدون كتلة.

يتذكر حسين، وهو الآن عالم أبحاث في شركة كوانتينوم، قائلاً: “في البداية، لم تكن لدينا أي فكرة عما كان عليه الأمر. الشياطين ليست في التيار الرئيسي. ظهرت هذه الإمكانية في وقت مبكر، وضحكنا عليها بشكل أساسي. ولكن، عندما بدأنا في استبعاد الأمور، بدأنا نشك في أننا وجدنا الشيطان بالفعل.

طُلب من إدوين هوانغ، وهو باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة UIUC ومنظر المادة المكثفة، في النهاية حساب ميزات البنية الإلكترونية للسترونتيوم روثينيت. وقال: “إن تنبؤ باينز بوجود الشياطين يستلزم شروطًا محددة إلى حد ما، ولم يكن من الواضح لأي شخص ما إذا كان يجب أن يكون للسترونتيوم روثينيت شيطان على الإطلاق”. “كان علينا إجراء حساب مجهري لتوضيح ما يحدث. عندما فعلنا ذلك، وجدنا جسيمًا يتكون من نطاقين من الإلكترونات يتأرجحان خارج الطور بنفس القدر تقريبًا، تمامًا كما وصف باينز.

الصدفة للبحث

ووفقا لأبامونت، لم يكن من قبيل الصدفة أن تكتشف مجموعته الشيطان “بالصدفة”. وأكد أنه ومجموعته كانوا يستخدمون تقنية غير مستخدمة على نطاق واسع على مادة لم تتم دراستها بشكل جيد. ويعتقد أن اكتشافهم شيئًا غير متوقع ومهم هو نتيجة لتجربة شيء مختلف، وليس مجرد الحظ.

وقال: “إنه يتحدث عن أهمية قياس الأشياء فقط”. “معظم الاكتشافات الكبيرة لم يتم التخطيط لها. اذهب للبحث عن مكان جديد وانظر ماذا يوجد هناك.”

المرجع: “لاحظ شيطان باينز باعتباره بلازمونًا صوتيًا ثلاثي الأبعاد في Sr₂RuO₄“بقلم علي أ. حسين، إدوين دبليو هوانغ، ماتيو ميترانو، ميليندا س. راك، سامانثا آي. روبيك، زيوفي غو، هونغبين يانغ، تشانشال سو، يوشيتيرو ماينو، برونو أوتشوا، تاي سي تشيانغ، فيليب إي باتسون، فيليب دبليو فيليبس وبيتر أبامونتي، 9 أغسطس 2023، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-023-06318-8

أبامونتي هو عضو في مختبر أبحاث المواد في UIUC. هوانغ هو عضو في معهد نظرية المادة المكثفة في UIUC.

ساهم في هذا العمل الأساتذة فيليب فيليبس من UIUC، وماتيو ميترانو من جامعة هارفارد، وبرونو أوتشوا من جامعة أوكلاهوما، وفيليب باستون من جامعة روتجرز.

وقد تم تقديم الدعم من قبل وزارة الطاقة الأمريكية، والجمعية اليابانية لتعزيز العلوم، والمؤسسة الوطنية للعلوم، ومؤسسة جوردون وبيتي مور.