اكتشف باحثو جامعة برينستون بقيادة علي يزداني أستاذ الفيزياء من دفعة 1909 ومدير مركز المواد المعقدة في جامعة برينستون أن التفاعل القوي بين الإلكترونات في الجرافين يدفعهم إلى تكوين هياكل بلورية ذات أنماط معقدة، والتي يحددها التراكب الكمي، حيث إن الإلكترونات الموجودة في مواقع ذرية متعددة في نفس الوقت.
كيف تكون بلورات الإلكترون في حالة تراكب
يستخدم علماء برينستون تقنيات مبتكرة لتصور الإلكترونات في الجرافين، وهو طبقة ذرية واحدة من ذرات الكربون، فلقد اكتشفوا أن التفاعلات القوية بين الإلكترونات في المجالات المغناطيسية العالية، والتي تدفعهم إلى تكوين هياكل شبيهة بالبلورات وشبيهة بتلك التي تم التعرف عليها لأول مرة لجزيئات البنزين في ستينيات القرن التاسع عشر بواسطة الكيميائي، حيث تعرض هذه البلورات دورية مكانية تتوافق مع وجود الإلكترونات في تراكب كمي.
تظهر التجارب أيضًا أن البلورات الكمومية (Kekulé) بها عيوب ليس لها مثيل لتلك الموجودة في البلورات العادية المكونة من الذرات، وتسلط هذه النتائج الضوء على المراحل الكمومية المعقدة التي يمكن أن تكون فيها الإلكترونات بسبب تفاعلها، والذي يكمن وراء مجموعة واسعة من الظواهر في العديد من المواد.
تعلم الفيزيائيون التحكم في كيفية تفاعل الإلكترونات مع بعضها البعض من خلال تطبيق مجال مغناطيسي قوي، وفي الآونة الأخيرة عن طريق تكديس طبقات متعددة من الجرافين فوق بعضها البعض، ففي الواقع فتح اكتشاف الجرافين في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، وهو الاكتشاف الذي أدى إلى الحصول على جائزة نوبل في الفيزياء في عام 2010 مجالًا جديدًا لاستكشاف فيزياء الإلكترونات وخاصة لفحص كيفية تصرف الإلكترونات بشكل جماعي.
الآن اكتشف باحثو برينستون بقيادة علي يزداني أستاذ الفيزياء في دفعة 1909 ومدير مركز المواد المعقدة في جامعة برينستون أن التفاعل القوي بين الإلكترونات في الجرافين يدفعهم إلى تكوين هياكل بلورية ذات أنماط معقدة يحددها الكم، حيث أن التراكب في الإلكترونات الموجودة في مواقع ذرية متعددة في نفس الوقت.
حالة التراكب الموجودة في الإلكترونات
- هل الإلكترونات في حالة تراكب كمي: الأهم من ذلك أنه من خلال زيادة المجال المغناطيسي لوحظ نمط شبيه بالرابطة، والذي يتوافق مع الدالة الموجية للإلكترونات الموجودة في تراكب كمي، وهذا يعني أن الإلكترون يشغل موقعين غير متكافئين في نفس الوقت.
عندما يكون الإلكترون في حالة تراكب يمكن اعتبار حالاته المختلفة على أنها نتائج منفصلة لكل منها احتمال معين للملاحظة، ويمكن القول أن الإلكترون في حالة تراكب لسرعتين مختلفتين أو في مكانين في وقت واحد.
- هل يمكن تصور الإلكترونات: يستطيع المجهر أيضًا رؤية الإلكترونات عندما تصل إلى أدنى حالاتها من الطاقة التي تهيمن عليها خصائصها الكمومية في وجود مجال مغناطيسي، حيث يمكن استخدام المجهر لتحديد التركيب المكاني لمستوى الطاقة الكمي.
- هل يوجد مجهر يمكنه رؤية الإلكترونات: يمكن استخدام المجهر الإلكتروني لتكبير الأشياء أكثر من 500000 مرة وهو ما يكفي لرؤية الكثير من التفاصيل داخل الخلايا، وهناك عدة أنواع من المجهر الإلكتروني، حيث يمكن استخدام المجهر الإلكتروني النافذ لرؤية الجسيمات النانوية والذرات.
المرحلة الكمومية المخفية في بلورة ثنائية الأبعاد
تم السماح بتطوير التصوير الفوتوغرافي الفائق السرعة عالي السرعة في الستينيات من قبل أستاذ معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الراحل (Harold “Doc” Edgerton)، حيث يقوم بتصور الأحداث بسرعة كبيرة للعين مثل رصاصة تخترق تفاحة أو قطرة تضرب بركة من الحليب.
باستخدام مجموعة من أدوات التحليل الطيفي المتقدمة تمكن العلماء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة تكساس في أوستن لأول مرة من التقاط لقطات لمرحلة غير مستقرة ناتجة عن الضوء ومخفية عن عالم التوازن، وذلك باستخدام تقنيات التحليل الطيفي أحادية الطلقة على بلورة ثنائية الأبعاد مع تعديلات نانوية لكثافة الإلكترون، حيث تمكنوا من عرض هذا الانتقال في الوقت الفعلي.
من خلال هذا العمل تم عرض ولادة وتطور طور كمي مخفي ناتج عن نبضة ليزر فائقة القصر في بلورة معدلة إلكترونيًا، كما قال فرانك جاو مؤلف رئيسي مشارك في ورقة حول العمل الذي يقوم حاليًا ما بعد الدكتوراه في جامعة أوستن.
يضيف المؤلف الرئيسي المشارك وطالب الدراسات العليا الحالي في الكيمياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أنه عادةً ما يكون استخدام الليزر اللامع على المواد هو نفسه تسخينها، ولكن ليس في هذه الحالة، وهنا يعمل تشعيع البلورة على إعادة ترتيب النظام الإلكتروني مما يخلق مرحلة جديدة تمامًا تختلف عن مرحلة الحرارة المرتفعة.
- عروض الليزر: إن فهم أصل مثل هذه الأطوار الكمومية غير المستقرة أمر مهم لمعالجة الأسئلة الأساسية طويلة الأمد في الديناميكا الحرارية غير المتوازنة، حيث كان مفتاح هذه النتيجة هو تطوير طريقة ليزر حديثة يمكنها صنع أفلام لعمليات لا رجعة فيها في المواد الكمومية بدقة زمنية تبلغ 100 فيمتوثانية.
تتكون المادة ثاني كبريتيد التنتالوم من طبقات مرتبطة تساهميًا من التنتالوم وذرات الكبريت مكدسة بشكل غير محكم فوق بعضها البعض، وتحت درجة حرارة حرجة تتشكل ذرات وإلكترونات نمط المادة في بنى نانوية نجمة داود، حيث يتم توزيع غير تقليدي للإلكترونات يُعرف باسم موجة كثافة الشحنة.
تتمثل أحد التحديات الرئيسية في أن مراقبة تحول فائق السرعة من نظام إلكتروني واحد إلى نظام قد يستمر إلى أجل غير مسمى ليس عمليًا باستخدام التقنيات التقليدية التي يتم حلها بمرور الوقت.
تقنية التحليل الطيفي التي تعتمد على نفق الإلكترون
استخدم فريق من أساتذة الفيزياء تقنية التحليل الطيفي التي تم تطويرها في مجموعة عاشوري، حيث تعتمد الطريقة على نفق الإلكترون، وهي عملية ميكانيكية كمومية تسمح للباحثين بحقن الإلكترونات بطاقات دقيقة في نظام مثير للاهتمام، وفي هذه الحالة يكون نظام من الإلكترونات محاصر في بعدين، حيث تستخدم هذه الطريقة مئات الآلاف من النبضات الكهربائية القصيرة لسبر ورقة من الإلكترونات في مادة شبه موصلة مبردة إلى درجات حرارة منخفضة للغاية أعلى بقليل من الصفر المطلق.
باستخدام تقنية الأنفاق الخاصة بهم أطلق الباحثون إلكترونات على المادة فائقة التبريد لقياس حالات طاقة الإلكترونات داخل لوح أشباه الموصلات على خلفية ضبابية اكتشفوا ارتفاعًا حادًا في البيانات، وبعد الكثير من التحليل قرروا أن الارتفاع كان هو الإشارة الدقيقة التي ستنطلق من بلورة عالية الترتيب من الإلكترونات تهتز في انسجام تام.
عندما زادت المجموعة كثافة الإلكترونات وتعبئتها بشكل أساسي في أرباع أكثر إحكاما داخل الورقة وجدوا أن ارتفاع البيانات يرتفع إلى طاقات أعلى، ثم يختفي تمامًا على وجه التحديد عند كثافة الإلكترون التي يُتوقع أن تذوب فيها البلورة الإلكترونية. كما يعتقد الباحثون أنهم توصلوا أخيرًا إلى عملية الانصهار الكمي هي مرحلة انتقالية في ميكانيكا الكم، حيث تذوب الإلكترونات التي شكلت بنية بلورية بحتة من خلال تفاعلاتها الكمية لتصبح سائلًا أكثر اضطرابًا استجابة للتقلبات الكمومية لكثافتها.
من الناحية الفيزيائية للإلكترون حالتان كميتان محتملتان هما الدوران للأعلى والدوران للأسفل، عندما يكون الإلكترون في حالة تراكب فإنه يكون صعودًا وهبوطًا في نفس الوقت، حيث إنه مزيج معقد من الاثنين، وعندما يتم قياسه فإنه يخرج من التراكب ويتبنى موقفًا أو آخر.
