فيزياء المادة المكثفة

فيزياء المادة المكثفة هي علم العالم المادي، يسعى لفهم كيفية ظهور الظواهر المعقدة المتنوعة عندما تتفاعل أعداد كبيرة من المكونات مثل الإلكترونات والذرات والجزيئات مع بعضها البعض، حيث أدى التقدم في فهمنا لأنظمة المادة المكثفة إلى اكتشافات أساسية مثل مراحل جديدة للمادة، بالإضافة إلى العديد من الاختراعات التكنولوجية بما في ذلك الترانزستورات والدوائر المتكاملة والليزر والمواد المركبة عالية الأداء والمغناطيسية.

المادة المكثفة في فيزياء الكم

فيزياء المادة المكثفة هي نظام يعالج الخصائص الحرارية والمرنة والبصرية للمواد الصلبة والسائلة، حيث نمت فيزياء المادة المكثفة بمعدل متفجر خلال النصف الثاني من القرن العشرين، وحققت العديد من الإنجازات العلمية والتقنية المهمة، بما في ذلك الترانزستور.

من بين المواد الصلبة كان أعظم التطورات النظرية في دراسة المواد البلورية التي تكوّن المصفوفات الهندسية المتكررة من الذرات، وهي عبارة عن أنظمة متعددة الجسيمات تسمح بمعالجتها ميكانيكا الكم، ونظرًا لأن الذرات الموجودة في المادة الصلبة متناسقة مع بعضها البعض عبر مسافات كبيرة، فإنه يجب أن تتجاوز النظرية المناسبة للذرات والجزيئات.

وبالتالي تحتوي الموصلات مثل المعادن على ما يسمى بالإلكترونات الحرة (أو التوصيلية)، وهي المسؤولة عن التوصيل الكهربائي ومعظم الموصلية الحرارية للمادة، والتي تنتمي مجتمعة إلى المادة الصلبة بأكملها بدلاً من الذرات الفردية، حيث إن أشباه الموصلات والعوازل، سواء كانت بلورية أو غير بلورية، هي مواد أخرى تمت دراستها في هذا المجال من الفيزياء.

تضمن الجوانب الأخرى للمادة المكثفة خصائص الحالة السائلة العادية، والبلورات السائلة وعند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق تكون ما يسمى السوائل الكمومية، حيث يُظهر الأخير خاصية تُعرف بالسيولة الفائقة (التدفق غير الاحتكاك تمامًا)، وهو مثال على الظواهر الكمية العيانية، وتتجسد هذه الظواهر أيضًا في الموصلية الفائقة (تدفق الكهرباء دون مقاومة تمامًا)، وهي خاصية درجات الحرارة المنخفضة لبعض المواد المعدنية والسيراميك.

أهمية المادة المكثفة في فيزياء الكم

تستكشف فيزياء المادة المكثفة السلوكيات الغريبة التي تظهر في مادة أو سائل عندما تتفاعل الجسيمات الكمومية بداخلها، وتتراوح الأسئلة النظرية المثيرة من أصول الموصلية الفائقة ذات درجات الحرارة العالية إلى خصائص المواد الكمومية الطوبولوجية وما بعدها.

وتهدف العديد من الجهود التجريبية إلى التحقق من صحة هذه النماذج النظرية، وتقنيات المادة المكثفة لها تطبيقات في العديد من مجالات البحث وفي العديد من التقنيات.

تتعامل فيزياء المادة المكثفة مع دراسة المواد الصلبة والسائلة، وهذا فرع متقدم للغاية من فروع الفيزياء، حيث ينصب التركيز بشكل أساسي على الصفات أو الخصائص الفيزيائية المجهرية، وتشمل الدراسات في فيزياء المادة المكثفة علم البلورات والمواد الصلبة الفائقة والموصلية الفائقة والسوائل الفائقة والمغناطيسية الحديدية.

مفاهيم الدراسات المتخصصة في هذا المجال هي أشباه الموصلات والفحص المجهري لقوة الرنين المغناطيسي والعملية والإنتاج في تكنولوجيا النانو والتكوين الشبكي للسوائل والمواد الصلبة ونظرية مقياس اللزوجة السلكي الاهتزازي، البلورات الضوئية والذرات شديدة البرودة، وأيضا له تطبيقات في خدمات تصنيع شرائح الكمبيوتر والمجال المعدني وصناعة الزجاج والصناعة الإلكترونية.

شرائح الكومبيوتر

يمكن للجسيمات المكونة للأمور أن تتفاعل بطرق متنوعة بناءً على خصائصها الجوهرية، حيث تظهر هذه التفاعلات كمواد لها خصائص تخدم وظائف في كل جانب من جوانب حياتنا، سواء كانت صلبة أو سائلة أو غازية؛ ومع ذلك يمكن أن تؤدي بعض التفاعلات بين الجسيمات إلى ظهور خصائص ومراحل غريبة للمادة، مثل الموصلية الفائقة أو المغناطيسية الحديدية.

يدرس علماء فيزياء المادة المكثفة كيف تؤدي التفاعلات بين الجسيمات إلى هذه السلوكيات المثيرة للاهتمام، وفيزياء هذه التفاعلات موصوفة بقوانين ميكانيكا الكم، والتي كانت من أولى الدوافع لبناء ومحاكاة هذه التفاعلات على حاسوب كمي.

لفيزياء المادة المكثفة آثار مهمة على فهمنا للطبيعة وتطوير تقنيات جديدة، حيث أدت التطورات التي حققها علماء فيزياء المادة المكثفة إلى اختراعات أساسية، مثل تطوير الترانزستور ولبنات البناء للكيوبتات فائقة التوصيل ونظرا لأهمية تعزيز فهمنا للمادة، سوف تقوم أنظمة (IBM Quantum) بإنشاء مختبرات مثالية لدراسة فيزياء المادة المكثفة.

وبينما يتعين على علماء فيزياء المادة المكثفة في كثير من الأحيان الاعتماد على عمليات تعاون كبيرة أو أجهزة مكلفة لإجراء تجاربهم، فإن معالجاتنا الكمومية القائمة على السحابة تمكن المستخدمين من تحقيق تطورات رائدة محتملة في فيزياء المواد المكثفة بما يزيد قليلاً عن الكمبيوتر المحمول وحساب المستخدم مع (IBM Quantum).

في أجهزة أشباه الموصلات

يتم إنتاج الصمام الثنائي بواسطة تقاطع القطبين، حيث يسمح الصمام الثنائي للتيار بالتحرك في اتجاه واحد فقط، وفي التكوين المنحاز للأمام للديود، ويزيد التيار أضعافًا مضاعفة مع الجهد، حيث يتم إنتاج الترانزستور بواسطة التقاطع؛ الترانزستور هو صمام كهربائي يتحكم في التيار في الدائرة، ويعد الترانزستور مكونًا مهمًا في مكبرات الصوت وأجهزة الكمبيوتر والعديد من الأجهزة الأخرى.

نظرية المادة المكثفة الكمية

السبب الذي يجعل نظرية المادة المكثفة الكمومية مهمة جدًا لمجالات أخرى من الفيزياء النظرية هو أنها تتمتع ببنية غنية للغاية كما هو الحال، على سبيل المثال نظرية المجال، لكنها خالية من الاختلافات في كل من الأشعة فوق البنفسجية، لأن حجم الذرة ليس صفرًا وفي الأشعة تحت الحمراء، لأن حجم العينة ليس لانهائيًا.

كما أن أنظمة المادة المكثفة يسهل تصورها نسبيًا، وبالتالي تقدم في كثير من الأحيان نماذج من المفاهيم الدقيقة، على سبيل المثال توفر الموصلية الفائقة التوضيح الكلاسيكي لآلية هيغز في فيزياء الجسيمات، ومؤخراً تحقق مفهوم الإحصاء الكسري، الذي يقحم بين إحصائيات (Bose و Fermi) في تأثير هول الكمي الكسري، وحاليًا هناك أيضًا روابط قوية بين المادة المكثفة الكمومية والفيزياء الذرية.

تعمل مجموعة نظرية المادة المكثفة الكمومية بشكل وثيق مع المجموعة التجريبية النشطة جدًا في مجالات الموصلية الفائقة ذات درجات الحرارة العالية والأنظمة منخفضة الأبعاد والتشتت النيوتروني، بالإضافة إلى ذلك هناك تفاعل قوي مع معهد محيط للفيزياء النظرية، وتستفيد هذه المجموعة أيضًا بشكل مكثف من أحدث مرافق الكمبيوتر المرتبطة بـجامعات (SHARCNET).

إن لفيزياء المواد المكثفة التجريبية تطبيقات مهمة في صناعة أشباه الموصلات والاتصالات، وفي أبحاث المواد للمنتجات التي تتطلب خصائص ميكانيكية أو إلكترونية أو مغناطيسية أو غيرها من الخصائص المرغوبة، وفي الصناعة البترولية والكيميائية حيث توجد مصلحة في تفاعل أسطح المواد المكثفة.

تطورت نظرية المادة المكثفة الكمومية بسرعة كبيرة، فكانت المادة المكثفة في الأساس موضوعًا شبه كلاسيكي بسبب الحقيقة المدهشة أن الإلكترونات في المعادن وأشباه الموصلات تتصرف إلى حد كبير مثل الفرميونات غير المتفاعلة.