العلماء يتمكنون من تحويل الضوء إلى مادة فائقة الصلابة
في عالمنا اليوم، نعرف 3 حالات تقليدية للمادة، وهي الصلبة التي لها شكل ثابت، مثل الجليد أو المعادن، والسائلة التي تتدفق بحرية، مثل الماء، والغازية مثل الهواء، الذي ينتشر لملء أي فراغ.
وهناك كذلك حالات مثل البلازما، والتي توجد في الشمس، وتتكون من جسيمات مشحونة كهربائيا.
مادة فائقة الصلابة
لكن في عالم الفيزياء الكمومية، تظهر حالات أغرب، مثلا يمكن أن تجمع "المادة فائقة الصلابة" بين خصائص الصلب والسائل معا.
هذه المادة، يمكنها أن تتصرف مثل الصلب والسائل في نفس الوقت، هذه هي المادة فائقة الصلابة، وهي حالة كمومية غريبة من المادة تمتلك بنية صلبة مثل البلورة، لكنها في نفس الوقت تتدفق بسلاسة مثل السائل من دون أي احتكاك.
تخيل صفّا من قطرات الماء يمكنه أن يتحرك بسلاسة، لكن المسافة بين القطرات لا تتغير أبدا، هذا شيء مستحيل في عالمنا العادي، لكنه ممكن في العالم الكمومي.
ويقول عالم الفيزياء الذرية والبصرية، إياكوبو كاروسوتو، من جامعة ترينتو في إيطاليا في تصريح رسمي حصلت الجزيرة نت على نسخة منه: "هذه القطرات قادرة على التدفق عبر عائق من دون التعرض لاضطرابات، مع الحفاظ على ترتيبها المكاني ومسافتها المتبادلة من دون تغيير كما يحدث في المواد الصلبة البلورية".
وفي إنجاز علمي مذهل، تمكن علماء إيطاليون من تحويل الضوء نفسه إلى مادة فائقة الصلابة، ويمكن أن يؤدي هذا الاكتشاف إلى تطورات كبيرة في الفيزياء الكمومية والتقنيات المستقبلية.
ولم تكن المواد الصلبة الفائقة تُصنع سابقا إلا من الذرات، لكن الفريق الذي يقوده علماء من المجلس الوطني للبحوث في إيطاليا نجح الآن في صنع مادة صلبة فائقة باستخدام الفوتونات لأول مرة.
الضوء وحركاته
الضوء هو طاقة نقية، وليس مادة، لذلك فهو لا يتصرف عادة مثل الصلب أو السائل، لكن العلماء استخدموا حيلة فيزيائية ذكية لجعل الضوء يتصرف مثل المادة، بحسب الدراسة التي نشرت في الدورية المرموقة "نيتشر".
الخطوة الأولى كانت جعل الضوء "يلتصق" بالمادة، وحتى يصبح الضوء أقرب إلى المادة، يجب دمجه مع جسيمات مادية. وللقيام بذلك، استخدم العلماء حزمة ضوئية مركزة (ليزر) وتم توجيهها على مادة خاصة تُعرف باسم زرنيخيد الغاليوم، وهو مركب من عناصر الغاليوم والزرنيخ.
عند اصطدام الضوء بالمادة، بدأ بالتفاعل مع الإلكترونات داخل المادة، مما أدى إلى ظهور جسيمات شبه مادية تُسمى البولاريتونات، وللتقريب يمكن تصور أنها جسيمات "هجينة" جزء من الضوء وجزء من المادة.
واصطلاح "شبه مادية" يشير إلى نوع غير معتاد من المادة يسميه العلماء أشباه الجسيمات، ولفهم الفكرة تخيل أنك تلعب مع أصدقائك في حوض سباحة، وعندما تحرك يدك في الماء، ترى تموجات صغيرة تتحرك عبر سطح الماء، هذه التموجات ليست أشياء مادية بحد ذاتها، لكنها تتصرف كأنها كائنات مستقلة تتحرك عبر الماء.
وبنفس الطريقة، تكون أشباه الجسيمات، فهي ظواهر تحدث داخل المواد الصلبة، حيث تتحرك الطاقة أو الاضطرابات بطريقة تجعلها تبدو كأنها جسيمات حقيقية، رغم أنها ليست جسيمات مستقلة مثل الإلكترونات أو البروتونات.
تطبيقات واعدة
وللتأكد من نجاح التجربة، أجرى العلماء بعض الاختبارات المهمة مثل قياس كثافة المادة الناتجة ووجدوا أنها تتوزع في شكل قمتين كبيرتين مع فجوة بينهما، وهو دليل على وجود مادة فائقة الصلابة، كما استخدموا تقنيات أخرى لقياس الحالة الكمومية للنظام، ووجدوا أن الترتيب الكمومي بقي ثابتا عبر النظام بأكمله، وهذا يؤكد أن المادة كانت بالفعل فائقة الصلابة.
ويُمثل هذا الابتكار الحديث تقدما كبيرا في فيزياء الكم، حيث يفتح تحويل الضوء إلى حالة صلبة فائقة آفاقا لتقنيات ضوئية جديدة، مثل أجهزة الليزر والأجهزة البصرية من الجيل التالي ذات الأداء المُحسّن والوظائف الجديدة، كما يمكن أن يساعد ذلك على استكشاف أعمق لطبيعة المادة والضوء في العالم الكمومي.
إلى جانب ذلك، تتميز المواد الصلبة الفائقة بخصائص كمية فريدة يُمكن تسخيرها لتطوير "كيوبتات" أكثر استقرارا وكفاءة، وهي الوحدات الأساسية للحواسيب الكمومية.
ويمكن للمواد فائقة الصلابة كذلك أن تساعد في تطوير أجهزة قياس دقيقة، حيث إن حساسية المواد الصلبة الفائقة للمحفزات الخارجية تجعلها مثاليةً لإنشاء مستشعرات عالية الدقة، ويمكن لهذه المستشعرات أن تُحدث ثورة في المجالات التي تتطلب قياسات دقيقة، بما في ذلك الفيزياء الفلكية وتكنولوجيا النانو.
هاشتاغز
جرب ميزات الذكاء الاصطناعي لدينا
اكتشف ما يمكن أن يفعله Daily8 AI من أجلك:
التعليقات
لا يوجد تعليقات بعد...
أخبار ذات صلة
جريدة الوطن
منذ 6 أيام
- جريدة الوطن
كائنــــــــــات موصلة للكهرباء
اكتشف فريق دولي من العلماء بقيادة باحثين من جامعة ولاية أوريغون الأميركية، نوعًا من البكتيريا، يعمل كسلك كهربائي، مما قد يُمهّد الطريق لعصر جديد من الأجهزة الإلكترونية الحيوية، المستخدمة في الطب والصناعة وسلامة الأغذية. يأتي هذا الاكتشاف في سياق جهود العلماء في اكتشاف الأنواع الحية الموصلة للكهرباء ومنها البكتيريا التي يمكنها نقل الإلكترونات وتوليد الكهرباء والتي تسمى بكتيريا الكابلات. وتُوسّع الدراسة فهمنا للتنوع الجيني والشكليّ لبكتيريا الكابلات التي تمتلك «أيضا» فريدا يعتمد على التوصيل بعيد المدى، وتقدّم وصفًا شكليًا وجينوميًا مُفصّلًا لنوع جديد أطلق عليه تسمية «سي إيه. اليكتروتريكس ياكونينيز». ويقول جيسبر فان ديك، الباحث في الجيولوجيا الحيوية: «إن بكتيريا الكابلات، هي عبارة عن كائنات دقيقة خيطية تُشكل سلاسل طويلة متعددة الخلايا قادرة على نقل الإلكترونات لمسافات تصل إلى سنتيمترات».
الجزيرة
٢٩-٠٤-٢٠٢٥
- الجزيرة
اكتشاف 12 حالة كمومية جديدة بخصائص غير مسبوقة
أعلن فريق من الباحثين من جامعة كولومبيا عن اكتشاف نحو 12 نوعا جديدا من الحالات الكمومية، مما يضيف مجموعة مثيرة من الظواهر إلى ما يسميه العلماء بـ"حديقة الحيوانات الكمومية"، ونُشرت تفاصيل هذا الاكتشاف في دراسة حديثة بدورية "نيتشر". تقول ييبينغ وانغ، الباحثة في قسم الكيمياء بجامعة كولومبيا، والمؤلفة الرئيسية للدراسة، في تصريحات حصرية للجزيرة نت: "اكتشاف هذا العدد الكبير من الحالات الجديدة أمر بالغ الأهمية، لأنه يوسع بشكل كبير معرفتنا بالحالات الكمومية ويضم مجموعة جديدة لـ "حديقة الحيوان الكمومية" للدراسة، هذا بدوره سيفتح آفاقا جديدة للفهم الأساسي للمواد الكمومية ولتطبيقات مستقبلية مثل تطوير أجهزة كمومية أكثر كفاءة". المفتاح الملتوي للاكتشاف ركز الباحثون عملهم على مادة مكونة من طبقتين رقيقتين تعرف باسم "ثاني تيلورايد الموليبدينوم"، حيث تلتوي كل منهما بزاوية صغيرة جدا بالنسبة للأخرى، مما خلق نمطا شبكيا يُعرف باسم "نمط مواريه"، وهو مسؤول عن نشوء خصائص إلكترونية فريدة لا تظهر في المواد التقليدية. تخيل الأمر كأنك تمرر شبكتين رقيقتين فوق بعضهما بشكل غير متواز، صانعا زاوية صغيرة بينهما. سيشكّل مرور الشبكتين أنماطا مثيرة وغريبة أمام عينيك، لكن الأغرب مما يتشكل أمامك هو ما ينتج عن هذا التراكب غير المثالي، حيث تتشكل مناطق تكون فيها الذرات متطابقة، أي فوق بعضها، وأخرى تكون في إزاحة أي بعيدة عن بعضها، مما يؤدي إلى ظهور نمط تكراري جديد أكبر، وهذا هو نمط مواريه. ولأن الطبقتين اللتين تتحركان هما بسُمك ذرة واحدة تقريبا، أي مواد ثنائية الأبعاد، يؤدي ذلك إلى انجذاب الإلكترونات أكثر نحو الذرات عندما تتراكب في بعض المناطق، وفي مناطق أخرى تجد طاقة حركة الإلكترونات أقل أو مختلفة. تقول ييبينغ: "في المواد التقليدية، عادة ما تتموضع الإلكترونات حول الذرات في مواضع الشبكة البلورية. أما في دراستنا، فالحالة الكمومية تشير إلى الطريقة المتميزة التي تنتظم بها الإلكترونات داخل طبقات ثنائية من مادة ثاني تيلورايد الموليبدينوم الملتوية بتشكيل نمط مواريه". وتضيف: "هذه الإلكترونات تكون مرتبطة ارتباطا قويا ببعضها، مما يؤدي إلى سلوكيات غريبة، مثل تشكيل بلورات إلكترونية أو إظهار خصائص طوبولوجية معقدة لا يمكن تفسيرها وفقا للنماذج التقليدية لجسيمات مفردة". كشف الحالات الخفية في هذا البحث الجديد، استخدم الفريق طريقة متقدمة تسمى "مطيافية الضخ والرصد"، حيث تُحدث نبضة ليزر (مضخة) اضطرابا طفيفا في النظام أولا، ثم تقيس نبضة أخرى (راصد) كيفية استجابة النظام بمرور الوقت. تشرح ييبينغ أهمية هذه الطريقة قائلة: "عادة، تكشف القياسات البصرية أو الكهربائية الساكنة فقط عن الأطوار الكمومية المكتملة والقوية. أما باستخدام مطيافية الضخ والرصد، فنحن نحفز النظام بطريقة خفيفة جدا ونرصد استجابته الفورية، مما يمكننا من كشف الحالات الدقيقة والخفية التي كانت تتلاشى أو 'تذوب' قبل أن نتمكن من رصدها بالطرق التقليدية". كما تسمح تلك الطريقة بالكشف الخالي من التشويش الخلفي، حيث يتم تسجيل التغيرات في المناطق التي تحتوي على ترتيب كمومي أو ارتباط قوي فحسب. ويتمثل أحد أبرز جوانب هذا الاكتشاف في أن بعض هذه الحالات الكمومية الجديدة المكتشفة قد تكون اللبنات الأساسية للحواسيب الكمومية الطوبولوجية، وهي نوع نظري من الحواسيب يعد بأن يكون أكثر مقاومة للأخطاء التي تعاني منها الحواسيب الكمومية الحالية. تقول ييبينغ: "على عكس الكيوبتات التقليدية التي يمكن أن تتعرض بسهولة للضوضاء الطفيفة، فإن الكيوبتات الطوبولوجية المستقبلية ستتطلب تغييرات كبيرة وشاملة لإفسادها، مما يجعلها أكثر مقاومة طبيعيا للأخطاء". حواسيب خارقة على مرأى البصر تخزن الحواسيب العادية المعلومات وتدير العمليات باستخدام قيم ثنائية رقمية وهي الصفر والواحد، وهو ما يُعرف باسم النظام الثنائي، وكل ما يعمل على حواسيبنا وهواتفنا المحمولة الحالية، بل والذكاء الاصطناعي بقدراته المذهلة مدينة لهذا النظام الثنائي بالفضل. تأتي الحواسيب الكمومية بأنظمة تسمح بالحالتين، الصفر والواحد في الوقت نفسه، بما يسمى بالتراكب الكمي فيما يعرف بالبتات الكمية أو الكيوبت. وعلى قمة تلك الأنظمة هي الحواسيب الكمومية الطوبولوجية من حيث الثبات والاستقرار ومقاومة الضوضاء. تشرح ييبينغ الفرق قائلة: "الحواسيب الكمومية الطوبولوجية هي بمثابة أجهزة خارقة تخزن المعلومات داخل حالات كمومية خاصة محمية بواسطة طوبولوجية النظام، بدلا من أن تعتمد ببساطة على القيم الثنائية 0 و1. هذا يعني أن المعلومات تكون مشفرة بطريقة تجعلها محصنة ضد الأخطاء الصغيرة أو الاضطرابات المحلية". أحد أكبر التحديات التي لطالما واجهت تطوير الحواسيب الكمومية الطوبولوجية هو أن الحقول المغناطيسية المطلوبة لتحقيق بعض الحالات الكمومية تسبب مشكلات تستعصي على الحل. لكن في هذا الكشف الجديد، تمكن الباحثون من إيجاد حالات كمومية جديدة دون الحاجة إلى حقل مغناطيسي خارجي. تقول ييبينغ: "في الماضي، كان استخدام المغناطيس ضروريا لإنشاء بعض الحالات الكمومية الطوبولوجية، لكن المغناطيس يعطل المواد فائقة التوصيل (اللبنات الضرورية للبيئة اللازمة لتكوين الحالات الكمومية). باستخدام المواد الملتوية مثل ثاني تيلورايد الموليبدينوم، نستفيد من الحقول المغناطيسية الداخلية الناتجة عن بنية مواريه نفسها، مما يلغي الحاجة إلى مغناطيس خارجي". تطبيقات واعدة هذا التطور يفتح المجال لتصميم حواسيب كمومية طوبولوجية أكثر استقرارا وكفاءة. وفي المرحلة القادمة، يخطط الفريق لدراسة طبيعة هذه الحالات الكمومية الجديدة بمزيد من التفصيل، وفهم خصائصها الفردية ومدى قابليتها للتطبيق العملي في مجال الإلكترونيات الكمومية والحوسبة. كما يأمل الباحثون أن تلهم تقنيتهم، القائمة على مطيافية الضخ والرصد، باحثين آخرين في جميع أنحاء العالم لاستكشاف مزيد من الحالات الكمومية المخفية في مواد أخرى. في النهاية، يبدو أن "حديقة الحيوانات الكمومية" لا تزال تخبئ المزيد من المفاجآت المثيرة في أقفاصها الذرية الخفية للعلماء والمهندسين على حد سواء، ومع كل اكتشاف جديد، نقترب خطوة إضافية نحو تسخير عجائب ميكانيكا الكم في حياتنا اليومية.
الجزيرة
٢٩-٠٤-٢٠٢٥
- الجزيرة
كيف تلاعب العصر الجليدي الأخير بصفائح الأرض التكتونية؟
يعتقد كثير من الناس أن تحركات القارات وانشقاق قاع المحيطات هي عمليات بطيئة تحدث على مدى ملايين السنين. لكن دراسة جديدة أجراها عالمان من جامعة كولورادو بولدر بالولايات المتحدة، كشفت أن هذه العمليات قد تتأثر أيضا بتغيرات سريعة في مناخ الأرض، مثل ذوبان الكتل الجليدية الضخمة. فمنذ حوالي 10 آلاف عام، عندما بدأ العصر الجليدي الأخير في الانتهاء، ذابت كتل جليدية هائلة كانت تغطي أجزاء واسعة من أميركا الشمالية، وتدفقت كميات هائلة من المياه إلى المحيطات. وبحسب الدراسة التي نشرت في مجلة "نيتشر"، فإن هذا الذوبان أدى إلى تسريع حركة الصفائح القارية. ويقول الباحث الرئيسي بالدراسة "تاو يوان" -طالب الدراسات العليا بقسم الفيزياء في جامعة كولورادو بولدر- في تصريحات لـ"الجزيرة نت": "عندما قل حجم الجليد بشكل كبير، تسبب ذلك في حركة ضخمة في قشرة الأرض. كان العلماء يعرفون أن ذوبان الجليد يؤدي إلى ارتفاع الأرض، لكن ما وجدناه هو أن الصفائح تحركت أفقيا أيضا بشكل ملحوظ." ارتفاع البحر وتحرك اليابسة اعتمد المؤلفان على نماذج حاسوبية لمحاكاة ما حدث للأرض قبل حوالي 26 ألف سنة. ففي ذلك الوقت، كانت قارة أميركا الشمالية مغطاة بطبقة جليدية تعرف باسم "لوغرانتايد"، امتدت حتى ولاية بنسلفانيا الحالية. ومع بدء الذوبان، ارتفع منسوب مياه البحر بمعدل سنتيمتر واحد سنويا حول العالم، ولكن لم يكن هذا هو التغيير الوحيد، وفقا للدراسة، إذ أظهرت النماذج أن القارة الأميركية تحركت أفقيا بسرعة زادت بنسبة 25%، بينما تسارع التمدد عند منتصف المحيط الأطلسي بنسبة وصلت إلى 40% بين عامي 12 ألفا و6 آلاف قبل الميلاد. وأوضح "يوان" أن هذه النتائج تتحدى الفكرة السائدة بأن تحركات الصفائح الأرضية تحدث فقط بسبب حرارة باطن الأرض، قائلا: "كنا نعتقد لوقت طويل أن العمليات مثل انقسام قاع المحيط وانجراف القارات تتم على مدى ملايين السنين بفعل محرك الأرض الداخلي. وهذا لا يزال صحيحا، لكننا نظهر الآن أن ذوبان الجليد يمكنه أيضا التسبب بحركات كبيرة خلال فترة قصيرة نسبيا، مثل 10 آلاف سنة". نشاط بركاني في آيسلندا لم يقتصر تأثير ذوبان الجليد على تحرك القارات فقط، بل امتد ليشمل النشاط البركاني أيضا، خاصة في آيسلندا التي تقع فوق منطقة من قاع المحيط تعرف بـ"منتصف الأطلسي"، حيث تندفع الصهارة من باطن الأرض إلى السطح، مكونة أراضي جديدة. ويشير الباحثان إلى أن نهاية العصر الجليدي شهدت نشاطا بركانيا مكثفا في آيسلندا، ربما كان سببه ذوبان الجليد من غرينلاند المجاورة، والذي ساعد على تعزيز التمدد في قاع المحيط، مما سمح للصهارة بالخروج بسهولة أكبر. ويقول "يوان": "قد يكون نمط النشاط البركاني في آيسلندا خلال تلك الفترة ناتجا جزئيا عن ذوبان الجليد الذي درسناه". وعلى الرغم من أن ذوبان الجليد الحالي في غرينلاند وغرب القارة القطبية الجنوبية لا يؤثر بعد على حركة القارات، فإن الباحثين يحذرون من أن استمرار هذا الذوبان بوتيرة متسارعة قد يؤدي إلى نتائج مشابهة في المستقبل، خاصة في المناطق القريبة من منتصف المحيطات. ويؤكد الباحث الرئيسي في الدراسة أن صفائح الجليد في غرينلاند وغرب أنتاركتيكا ما زالت تذوب، ومن ثم، يعتقد الباحثان أن هذا الذوبان قد يعزز تمدد قاع المحيط وزيادة النشاط البركاني في المستقبل. ويضيف أن الدراسة تسلط الضوء على الروابط العميقة والمعقدة بين المناخ والنشاط الجيولوجي، وتؤكد أن تغير المناخ لا يقتصر على الطقس ودرجات الحرارة، بل يمتد ليشمل أعماق الأرض نفسها.
