اقرأ في هذا المقال
القطرة الكمية هي عبارة عن جسيم يحتوي على مجموعة من الإلكترونات والثقوب داخل أشباه الموصلات، حيث تعطي القطرات أول توصيف شبه جسيم معروف، حيث يتصرف شبه الجسيم كسائل.
ما المقصود بالقطرات الكمومية
تم الإعلان عن إنشاء القطيرات في 26 فبراير 2014، حيث قدمت دليلًا على تكوين قطرات في بلازما ثقب الإلكترون داخل بئر كمي لزرنيخيد الغاليوم بواسطة نبضات ليزر فائقة القصر، وعلى الرغم من العمر القصير نسبيًا الذي يبلغ حوالي 25 بيكو ثانية، فإن القطرات مستقرة بدرجة كافية ليتم دراستها.
لدى القطرات الكمومية خصائص مواتية لبعض التحقيقات في ميكانيكا الكم، يبلغ عرضها حوالي 200 نانومتر، وهو حجم أصغر بكتيريا، ولهذا السبب أعرب المكتشفون عن أملهم في أن يروا يومًا ما قطيرات كمية، وتعرف القطرات الكمومية أيضا بأنها عبارة عن مجموعات صغيرة من الذرات مرتبطة ذاتيًا بتوازن القوى الجذابة والمُنفِعة، وتعرف القطرات المستقرة فقط من خلال تفاعلات التلامس في خليط من اثنين من مكثفات بوز-آينشتاين.
وهي جزء جسيم وجزء سائل وشبه جسيم تم اكتشافه حديثًا أطلق عليه اسم قطرة كمومية أو قطيرة، حيث أن القطرة عبارة عن مجموعة من الإلكترونات والثقوب التي تفتقد فيها الإلكترونات داخل أحد أشباه الموصلات، ولها خصائص مفيدة لدراسة ميكانيكا الكم.
ما هي القطرة الكمية التي تعمل مثل السائل
يُطلق على الكيان الجديد اسم شبه جسيم لأنه ليس جسيمًا أوليًا، مثل الكواركات والإلكترونات التي تشكل الذرات، بل هو مركب، ومثل أشباه الجسيمات الأخرى فإن القطرة، وهي أول شبه جسيم يتصرف مثل السائل يمكن أن توجد فقط داخل المواد الصلبة.
يقول أحد المساعدين في اكتشاف القطرة الكمومية، إنها جسيم داخل المادة، وهو كيان تحدد خصائصه بيئته، وتعتبر أشباه الموصلات؛ لأن ذرات أشباه الموصلات منظمة في شبكة من خلال ربط إلكترونات التكافؤ، ويسمح هذا الترتيب لتكتل الإلكترونات والثقوب بالسفر بفعالية عبر المادة ككيان متماسك.
يعتبر التفكير في هذه التكتلات كأشباه جسيمات طريقة لتبسيط الرياضيات التي تصف ميكانيكا الكم المعقدة للعديد من الجسيمات داخل المادة الصلبة، حيث يقول كيرا إنه لم يتم توقع القطرة مسبقًا، لذا جاء إنشائها أثناء التجربة بمثابة مفاجأة، وقد نشأ عندما أرسل الباحثون نبضات طاقة من ليزر فائق السرعة في زرنيخيد الغاليوم.
في أشباه الموصلات، خلقت النبضات أكسيتونات أزواج من الثقوب في المادة، وعندما وصلت كثافة الإكسيتونات إلى عتبة معينة، تذوبت الأزواج وترتبت الإلكترونات والثقوب نفسها في تكوينات جديدة، وفي داخل الجسيم تتدفق الإلكترونات والثقوب حول بعضها البعض مثل الجسيمات في سائل محصور داخل قطرة صغيرة، إذ يقول كيرا، إنه مثل شكل كمي لسائل نموذجي.
تطور القطرة الكمومية
أخذ شبه الجسيم غير المتوقع اسمه عندما عرف الباحثون أنه يجب أن يكون جسيمًا جديدًا وله حجم صغير، وله خصائص سائلة، ويقول جلين سولومون من معهد الكم المشترك في غايثرسبيرغ بولاية ميريلاند، والذي لم يشارك في البحث، حيث أن هذه فيزياء جديدة، وليست مجرد تفاصيل صغيرة للفيزياء الراسخة، حيث نأمل أن يؤدي ذلك إلى مجموعة متنوعة من التجارب.
وعلى وجه الخصوص، يمكن أن يساعد هذا الاكتشاف الفيزيائيين على فهم ميكانيكا الكم لأنظمة الأجسام المتعددة، التي تتفاعل فيها أعداد كبيرة من الجسيمات، ويقول مانفريد باير، والذي لا ينتمي أيضًا إلى فريق البحث، بأنه تظهر النتائج أن التأثيرات المثيرة للاهتمام يمكن أن تظهر في أجهزة الجسم المتعددة.
في التجارب، تراوحت الجسيمات في الحجم ولكنها تتطلب ما لا يقل عن أربعة أزواج من الثقوب الإلكترونية كمكونات لتكون مستقرة، وهذه الخاصية تضعهم في فئة جديدة من أشباه الجسيمات، بحيث تدوم القطرات حوالي 25 بيكو ثانية فقط، أي تريليون جزء من الثانية، لكن هذا يجعلها طويلة العمر نسبيًا لأشباه الجسيمات المعقدة، فهي مستقرة بدرجة كافية، على سبيل المثال، للسماح للعلماء بإجراء تجارب عليها.
إن هذه التجارب من الممكن أن توفر شيء من الغرابة الجميلة في التفاعلات الكمومية للضوء والمادة؛ بسبب حجم القطرات، حيث يبلغ عرضها حوالي 200 نانومتر، وهي أكبر بأكثر من 10 مرات من أزواج الإكسيتون المفردة وحوالي حجم بعض أصغر أنواع البكتيريا، وكان طول موجة ضوء الليزر المستعمل في إثارة المادة في التجربة 800 نانومتر، وهو ليس أكبر بكثير من أشباه الجسيمات نفسها، ويمكن للبصريات الكلاسيكية فقط اكتشاف الأجسام الأكبر من أطوالها الموجية.
كيف تظهر شبه الجسيمات القطرة الكمية دروبلتون لأول مرة؟
تتكون القطرة التي تم إنشاؤها في آبار كمومية لأشباه الموصلات باستخدام نبضات ليزر فائقة القصر، من عدد صغير من الإلكترونات والثقوب المرتبطة ببعضها البعض في قطرة تشبه السائل، ويعتبر شبه الجسيم هو إثارة جماعية داخل مادة تتصرف كجسيم أساسي.
الإلكترونات والثقوب المربوطة في القطرة الكمية
ترتبط القطرة بشبه جسيم معروف جيدًا يسمى الإكسيتون، والذي يتكون عندما يمتص أحد أشباه الموصلات فوتونًا، ويقوم هذا الإجراء بترقية إلكترون من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل، تاركًا وراءه ثقبًا موجب الشحنة في نطاق التكافؤ، وتربط القوة الكهروستاتيكية الإلكترون والثقب معًا لتكوين إكسيتون، والذي ينتقل عبر أشباه الموصلات مثل الجسيم.
من المعروف وجود تكوينات أكثر تعقيدًا للإلكترونات والثقوب مثل بييكستون، الذي يحتوي على إلكترونين وثقبين، وكما شوهدت قطرات بحجم ميكرون تتكون من العديد من الإلكترونات والثقوب في أشباه الموصلات ذات الفجوة غير المباشرة مثل الجرمانيوم والسيليكون، ومع ذلك يتم تشكيلها من خلال عملية ديناميكية حرارية.
المضخة والمسبار في القطرة الكمومية
ابتكر الباحثون قطيراتهم الكمومية بإطلاق نبضات ليزر على آبار كمية الغاليوم زرنيخيد، وهذه طبقات بسمك 10 نانومتر من أشباه الموصلات مفصولة بمادة عازلة، حيث ان كل نبضة تضخ إلكترونات في نطاق التوصيل ويتبعها نبضة ليزر مسبار تستخدم لقياس طيف الامتصاص في الآبار الكمومية.
في البداية كشف القياس أن الضخ المستمر ينتج فقط المزيد من الأكسيتونات تمامًا كما هو متوقع، وبعد فترة وجد الفريق أنه بدلاً من الاقتران على شكل إكسيتونات، حيث شكلت الإلكترونات والثقوب تكوينات غير متزاوجة، والنتيجة هي قطرات مشحونة محايدة تتكون عادة من حوالي خمسة إلكترونات وخمسة ثقوب.
ارتفاع الضغط في القطرة الكمومية
يحدث هذا الانتقال بسبب زيادة كثافة الإلكترونات والثقوب المحقونة بواسطة نبضات المضخة، ويضيف أن الأعداد المتزايدة من الإلكترونات والثقوب تعمل على حجب جاذبية كولوم الكهروستاتيكية، والتي عادة ما تحافظ على الإكسايتونات مرتبطة ببعضها البعض.
وعلاوة على ذلك يشرح أن زيادة عدد الإلكترونات والثقوب يزيد من الضغط الناجم بالفعل عن طبيعة فيرميونية للإلكترونات والثقوب، ومبدأ استبعاد باولي الذي يعمل على استقرار القطرة الكمومية، ومرة واحدة في ترتيبها الجديد، تعتبر الإلكترونات والثقوب ليست ثابتة في تكوين جامد، وبدلاً من ذلك فهي قادرة على التحرك، مثل الكثير من الجسيمات داخل السائل، حيث أن هذا السلوك هو الذي ألهم الفريق لتسمية الجسيم شبه الجديد بالقطرة.
في حين أن قطرات الكم قد لا يكون لها أي تطبيقات عملية واضحة، يقول الباحثون إن اكتشافهم يمكن أن يحسن الفهم لكيفية تفاعل الإلكترونات في المواد الصلبة، ويؤدي في النهاية إلى أجهزة إلكترونية أفضل.
