يكتشف الفيزيائيون حالة جديدة من المادة المخفية في عالم الكم: ScienceAlert

أنت على دراية بحالات المادة التي نواجهها يوميًا – مثل المواد الصلبة والسائلة والغازية – ولكن في ظروف أكثر غرابةً وتطرفًا ، يمكن أن تظهر حالات جديدة ، ووجد علماء من الولايات المتحدة والصين للتو واحدة.

إنهم يسمونها حالة بوز-سائل مراوان ، وكما هو الحال مع كل ترتيب جديد للجسيمات نكتشفه ، يمكن أن يخبرنا المزيد عن نسيج وآليات الكون من حولنا – وعلى وجه الخصوص ، في الكم الصغير للغاية حجم.

تصف حالات المادة كيف يمكن للجسيمات أن تتفاعل مع بعضها البعض ، مما يؤدي إلى ظهور الهياكل وطرق التصرف المختلفة. ثبت الذرات في مكانها ، وستحصل على مادة صلبة. اسمح لهم بالتدفق ، لديك سائل أو غاز. قوة الشراكات المشحونة بعيدًا ، لديك بلازما.

يوفر المشهد الكمومي طرقًا أكثر غرابة لتفاعل الجسيمات ، مما يسمح بسلوكيات فريدة موصوفة بشكل أفضل من حيث الإمكانية والطاقة.

اكتشف الباحثون الحالة الجديدة من خلال أ نظام الكم المحبط. بعبارات بسيطة ، إنه نظام به قيود مدمجة تمنع الجسيمات من التفاعل كما هو معتاد (ومن ثم الإحباط).

يمكن أن تؤدي هذه القيود – والإحباط الناتج عن ذلك – إلى نتائج مثيرة للعلماء. هنا ، ركز الباحثون على الإلكترونات واستخدموا تشبيه لعبة الحفلة لشرح ما يحدث.

“إنها مثل لعبة الكراسي الموسيقية ، المصممة لإحباط الإلكترونات ،” يقول عالم فيزياء المادة المكثفة النظري تيغران سيدراكيان Tigran Sedrakyan من جامعة ماساتشوستس أمهيرست.

“بدلاً من أن يكون لكل إلكترون كرسي يذهب إليه ، يجب عليهم الآن التدافع ولديهم العديد من الاحتمالات في مكان جلوسهم.”

كان الباحثون في النظام عبارة عن جهاز شبه موصل بطبقتين: طبقة عليا غنية بالإلكترونات وطبقة سفلية بها العديد من الثقوب المتاحة للإلكترونات لتنتقل إليها بشكل طبيعي. تطور؟ لا توجد ثقوب كافية لجميع الإلكترونات.

على الرغم من صعوبة ملاحظة هذا النوع من النظام ، استخدم الفريق مجالًا مغناطيسيًا فائق القوة لقياس كيفية تحرك الإلكترونات ، وكشف عن أول دليل على حالة سائل بوز مراوان جديد.

“على حافة طبقة ثنائية أشباه الموصلات ، تتحرك الإلكترونات والثقوب بنفس السرعات ،” يقول الفيزيائي Lingjie Du من جامعة نانجينغ في الصين.

“هذا يؤدي إلى نقل يشبه الحلزوني ، والذي يمكن تعديله بشكل أكبر بواسطة المجالات المغناطيسية الخارجية حيث يتم فصل قنوات الإلكترون والثقوب تدريجيًا تحت الحقول الأعلى.”

كشفت هذه الحالة الجديدة عن بعض الخصائص المثيرة للاهتمام. على سبيل المثال ، ستتجمد الإلكترونات في نمط يمكن التنبؤ به واتجاه دوران ثابت عند الصفر المطلق ولا يمكن أن تتداخل معها الجسيمات الأخرى أو المجالات المغناطيسية. يمكن أن يكون لهذا الاستقرار تطبيقات في أنظمة التخزين الرقمية على مستوى الكم.

علاوة على ذلك ، يمكن للجسيمات الخارجية التي تؤثر على إلكترون واحد أن تؤثر على جميع الإلكترونات في النظام ، وذلك بفضل التشابك الكمي بعيد المدى نسبيًا. إنه مثل تحطيم كرة رئيسية في حزمة من كرات البلياردو وكل تلك الكرات تتحرك في نفس الاتجاه استجابةً – اكتشاف آخر قد يكون مفيدًا.

في حين أن كل هذا يتضمن فيزياء عالية المستوى ، فإن كل اكتشاف مثل هذا – هذه المراوغات وحالات الحافة التي تحدث خارج حدود تفاعلات الجسيمات الشائعة – يقربنا من فهم كامل لعالمنا.

“تجد الحالات الكمومية للمادة بعيدًا عن هذه الأطراف ، وهي أكثر وحشية بكثير من الحالات الكلاسيكية الثلاث التي نواجهها في حياتنا اليومية ،” يقول سدراكيان.

تم نشر البحث في طبيعة.