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.

جرب ميزات الذكاء الاصطناعي لدينا

اكتشف ما يمكن أن يفعله Daily8 AI من أجلك:

التعلم مع الذكاء الاصطناعيالتحقق من الحقائقتحويل النص إلى كلامملخص الذكاء الاصطناعي

أخبار ذات صلة

الجزيرة

منذ 2 أيام

• الجزيرة

لأول مرة.. علماء يحولون الرصاص إلى ذهب لحظيًا

لطالما حَلَم الناس قديمًا -وربما في أيامنا الحالية أيضًا- بتحويل المعادن إلى ذهب، وهو الحلم الذي سعى "الخيميائيون" القدامى إلى تحقيقه، لكن محاولاتهم لم تكلل بالنجاح مطلقا. وانتقالًا من القرن الثاني عشر إلى القرن الحالي، تحديدا 7 مايو/أيار 2025، تمكن مجموعة من الباحثين في مختبر فيزياء الجسيمات "سيرن" بسويسرا من إنتاج عدد ضئيل من جزيئات الذهب باستخدام الرصاص، باستخدام "مصادم الهدرونات الكبير"، الأكبر في العالم. وتعد هذه التجربة الأولى من نوعها التي ترصد إنتاج الذهب وتحلله معمليًا، بحسب الدراسة التي نشرت في دورية "فيزيكال ريفيو سي". هل نحن بصدد تحويل المعادن إلى ذهب؟ يُصَرِّح الدكتور مصطفى بهران -الأستاذ الزائر في قسم الفيزياء بجامعة كارلتون الكندية- للجزيرة نت: "الهدف الرئيس من هذا العمل دراسة أنماط انبعاث البروتونات في هذه التصادمات من أجل تعزيز فهم الفيزياء الأساسية، ما قد يساعد في تطوير النظريات المتعلقة بالتفاعلات النووية وإنتاج الجسيمات". ويضيف بهران "البحث تقني تمامًا ولا توجد له تطبيقات مباشرة خارج المعرفة الفيزيائية، ولا يرتبط البحث كذلك بهدف إنتاج الذهب". جدير بالذكر أن الرصاص يحتوي على 82 بروتونًا، بينما يضم الذهب 79 بروتونًا، ومن أجل أن يتحول الرصاص إلى ذهب، ينبغي أن يفقد الرصاص 3 بروتونات، الأمر الذي يحتاج إلى طاقة شديدة القوة، وهو الدور الذي مارسه "مصادم الهدرونات الكبير". تصادمات من نوع مُخْتَلِف تعتمد طريقة عمل مصادم الهدرونات الكبير على توجيه أشعة تحوي الهدرونات (جسيمات تحت ذرية غالبًا ما تتكون من البروتونات أو النيوترونات التي تمتلك قدرًا هائلًا من الطاقة) بسرعة مقاربة لسرعة الضوء، وهو سبب تسمية هذه الآلة باسم "مسارع الجزيئات". ويُطلِق الجهاز حزمتي أشعة من هذا النوع حيث يعمل الباحثون على توجيههما -أي حزمتي الأشعة- باستخدام المجالات المغناطيسية إلى أن يكونا في اتجاه معاكس، الأمر الذي يؤدي إلى تصادم الجزيئات. يوضح بهران أن التصادم الحادث في هذه الدراسة "تصادمات طرفية، بمعنى أن النوى (جمع نواة) لا تصطدم مباشرة ببعضها بعضًا، وبدلًا من ذلك تتفاعل من خلال القوى الكهرومغناطيسية دون أن تتلامس، إن صح التعبير". ومرور هذه الأيونات بعضها بالقرب من بعض يُطلق قدرًا من الطاقة في صورة فوتونات، وتسبب هذه الفوتونات عالية الطاقة فقدان نواة ذرات الرصاص -المستخدمة في التجربة- لثلاثة بروتونات، مما يعني التَحَوّل إلى ذرات من الذهب. ذهب غير مستقر ما بين العامين 2015 و2018 رصد الباحثون كمية ذرات الذهب المتكونة جراء هذه التصادمات الطرفية، فقدروها بنحو 86 مليار ذرة من الذهب، أو ما يساوي نحو 29 تريليون من الغرام الواحد (1/29 تريليون غرام). واتسمت هذه الذرات بانعدام استقرارها، فقد رصد الباحثون بقاء ذرات الذهب مدة ميكروثانية واحدة قُبيل اصطدامها بمكونات مصادم الهدرونات، أو تكسرها إلى جزيئات أخرى. تتميز هذه الدراسة بأنها الأولى التي استطاعت رصد إنتاج ذرات الذهب وتحليلها معمليًا، نظرًا لوجود جهاز مخصص للكشف عن هذه الذرات ضئيلة الكم، بحسب بوليانا دمتريفا عالمة الفيزياء النووية الروسية. فهم أكبر لكوننا الكبير ويرى بهران هذه التجربة تمثل خطوة جديدة نحو فهم عالمنا بصورة أفضل من خلال الكشف عن مزيد من خبايا علم الفيزياء. إعلان ويضيف "استنادًا إلى هذا البحث يمكن استكشاف عدة اتجاهات محتملة مستقبلًا، منها تحسين النماذج النظرية لفهم انبعاث البروتون في هذه التصادمات، سواء بالأعمال النظرية الأساسية أو المحاكاة". ويوضح بهران أنه "يُمكن أيضًا إجراء مزيد من التجارب التي تتضمن تصادمات مماثلة باستخدام طاقات مختلفة أو أنواع مختلفة من النوى، لمعرفة كيفية تَغَيُر أنماط انبعاث البروتون، وقد يسهم البحث في تطور فهمنا للفيزياء الفلكية". الاستكشافات العلمية الكبرى تبدأ بأحلام بدأت محاولات تحويل المعادن مثل الرصاص والنحاس قديمًا، مارسها من أُطْلِق عليهم آنذاك الخيميائيون، والخيمياء تمثل نوعًا من العلوم الأولية التي اعتمدت على المزج بين التجريب والفلسفة، وظهرت هذه الممارسات مبكرًا في مصر القديمة واليونان، ثم الدولة الإسلامية، إلى أن وصلت إلى أوروبا وذاع صيتها في القرن الثاني عشر. وحاول الخيميائيون تحويل المعادن إلى ذهب عبر مزج عدد من المواد وتسخينها فيما يُشبه العمليات الكيميائية المتعارف عليها، مما يجعل الخيمياء تمثل خطوة أولى نحو علم الكيمياء. وحلَم الخيميائيون -إلى جوار إنتاج الذهب- بالوصول إلى حجر المعرفة (حجر الفيلسوف) الذي اعتقدوا أنه سيساعدهم في الكشف عن سر الشباب والصحة الأبديَّتيْن، وهو بالطبع ما لم يتمكنوا من تحقيقه.

جريدة الوطن

منذ 4 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».

جريدة الوطن

١٤-٠٥-٢٠٢٥

• جريدة الوطن

ســـحـــابـــــة نجــمـــيــــــة ضـــــخـــمـــة

اكتشف فريق دولي من العلماء، بقيادة جامعة روتجرز في ولاية نيوجيرسي الأميركية، سحابة هيدروجينية جزيئية يُحتمل أن تكون مُشكّلة للنجوم، وهي واحدة من أكبر الهياكل المنفردة في السماء، ومن بين أقربها إلى الشمس، والأرض بالتبعية، على الإطلاق. وتقول الدكتورة بليكسلي بوركهارت، الأستاذة المشاركة في قسم الفيزياء والفلك بجامعة روتجرز والتي ساهمت في إعداد الدراسة، في تصريحاتها للجزيرة نت: «يفتح هذا الاكتشاف آفاقا جديدة لدراسة الكون في نطاق السحب الجزيئية، ولمزيد من الاستكشافات التي كنا غافلين عنها، كما يفتح نافذة جديدة على كيفية تشكل النجوم والكواكب، وكيف تتكوّن مجرتنا». أطلق العلماء على سحابة الهيدروجين الجزيئية المكتشفة اسم «إيوس»، ويتعلق بإلهة في الأساطير اليونانية القديمة تُجسّد الفجر. ووفقا لبيان جامعة روتجرز، فقد تم الكشف عن تلك الكرة هلالية الشكل، التي ظلت غير مرئية للعلماء لفترة طويلة، من خلال البحث عن مُكوّنها الرئيسي وهو الهيدروجين الجزيئي. وتقول الدكتورة بليكسلي بوركهارت في تصريحات خاصة للجزيرة نت: «ظلت سحابة إيوس مختبئة لفترة طويلة لأنها لا تظهر بالطريقة المعتادة التي يكتشف بها علماء الفلك السحب في الفضاء، حيث إنه في معظم الأحيان، يبحث العلماء عن غاز يُسمى أول أكسيد الكربون لرصد السحب المُشكّلة للنجوم». وتضيف «لكن سحابة إيوس مختلفة، فهي تتكون في الغالب من جزيئات هيدروجين لا تلمع بالطريقة المعتادة، وتحتوي على نسبة ضئيلة جدا من أول أكسيد الكربون، وبالتالي فإن هذا جعلها شبه غير مرئية للتلسكوبات التقليدية».