اكتشف فيزيائيون حالة جديدة للمادة تنشط ضمن سلوك غير مستقر للغاز الكمومي: سلاسل جزيئات الغاز الكمومي الرقيقة القادرة على ربط جزيئات الغاز العملاقة. الحصول على نسخ من هذه المادة ممكن نظريًا في الفيزياء، لكنها للأسف تنهار عمليًا خلال عملية التكوين.
اكتشف باحثون من جامعة ستانفورد في الولايات المتحدة إمكانية إنشاء مثل هذه المادة مستقرةً بما يكفي لمقاومة الانهيار إلى سحابة، حتى عندما تكون تحت تأثير قوة كبيرة.
علاوة على ذلك، فقد حددوا حالة جديدة نشطة من المادة لم تُرصد إلا مرة واحدة من قبل، ولم يسبق لها مثيل في الغاز الكمومي من قبل.
الأهم من ذلك، أن الخصائص الكمومية لهذا الغاز قد تكسب له مكانًا في الأجيال المستقبلية لتكنولوجيا المعلومات.
يطلق على تصنيف هذه الحالة النشطة للمادة «غاز تونكس جيراردو الفائق»، إذ يتكون من ذرات مبردة للنقطة التي تفقد فيها هويتها الفردية وتضطر للاصطفاف في خط مقيد بواسطة قواها مجتمعة.
في الظروف المثالية، فإن التجاذب بين الجسيمات داخل هذا الخيط الطويل من الغاز الكمي يمكن أن يبقيه في مساره حتى تحت تأثير الضغط، ولهذا يصفه الفيزيائيون بأنه “فائق”.
مع ذلك، حتى تلك الغازات المتشكلة بدقة، تفشل في أن تظل مستقرة لفترة طويلة جدًا تحت تأثير معدات المختبرات الأقل من المثالية، وتتقلص في شكل كرة خلال وقت قصير.
تساءل الفيزيائي بينجامين ليف عما إذا سيكون عنصر الديسبروسيوم Dy، مرشحًا أكثر متانة لهذه العملية، بامتلاكه واحدة من أعلى القوى المغناطيسية في الجدول الدوري، فإن جزيئات الغاز قد تصمد لفترة أطول مع قليل من الدعم.
يقول ليف: «كانت التفاعلات المغناطيسية التي تمكنا من إضافتها ضعيفة جدًا مقارنة بالتفاعلات الجاذبة الموجودة بالفعل في الغاز. لذلك، كانت توقعاتنا أنه لن يتغير الكثير، لكن المفاجأة أننا كنا مخطئين!».
اتضح أن غاز تونكس جيراردو الفائق القائم على أساس الديسبروسيوم هو بالضبط المرشح المثالي لهذه العملية، إذ حافظ على شكله بغض النظر عما فعله الفريق به.
حتى أن تحريك النظام الكمي لمستويات طاقة أعلى، فشل في دفع جزيئات الغاز الكمومي نحو سلوك فوضوي مضطرب.
سرعان ما تمكن الفريق خلال عملية ضبط ميكانيكية العملية، من ملاحظة وجود بصمات لظاهرة يصعب فهمها نوعًا ما تدعى التشوه الكمي المتعدد.
تقع هذه الحالة الغريبة للمادة في مكان ما بين الفوضى الكمومية وإمكانية التنبؤ بالفيزياء الكلاسيكية القديمة، وتصف العالم الذي يبدو غير متوقع للوهلة الأولى.
اكتُشِف قبل ربع قرن من الزمن -في خضم ضبابية النظام الكمومي؛ حيث تكون الجسيمات في كل مكان ولا مكان في وقت واحد وتفقد الذرات هويتها الفردية- أن الحالات المتكهن حدوثها يمكن أن تقع بالفعل.
تشبه هذه الندوب المسارات الموجودة بجانب ملعب كرة القدم، فبينما يطارد اللاعبون الكرة بحرية في جميع أرجاء الملعب، تبدو بعض الاتجاهات أكثر تفضيلًا من الأخرى.
الشيء المحير حول التشوه الكمي هو تناسبه مع الديناميكا الحرارية.
حاول أن ترفع درجة الحرارة على مجموعة من الجسيمات وسوف تتقافز أكثر، وتعيد توزيع الطاقة الحرارية حتى تحصل جميع الأجسام على حصة متساوية تقريبًا.
يتعارض التشوه الكمي المتعدد مع قاعدة التوازن هذه، مع تفضيل بعض الحالات بغض النظر عن مقدار الإثارة التي تنمو حولها.
شوهدت هذه الظاهرة مسبقًا في طابور من ذرات الروبيديوم، لكنها لم تُشاهد في حالات الغاز الكمي، لذا فإن العثور على علامات الحالة في سلسلة مبردة من ذرات الديسبروسيوم لديه القدرة على الكشف عن الكثير حول كيفية مشاركة الأجسام في النظام الكمومي للطاقة.
نظرًا لأننا نتجه نحو مستقبل مليء بالتقنيات الكمية، فسنحتاج إلى معرفة أكبر قدر ممكن حول كيفية تخفيض حرارة أجهزة الكمبيوتر في المستقبل.
لكن التشوهات الكمومية يمكن أن تكون مفيدة لتخزين المعلومات الكمومية في حد ذاتها، أو تعمل كنوع من المحاكاة في المختبر لدراسة الأنظمة الكمومية.
بغض النظر عن التكهنات حول الاستخدامات العملية، يرى ليف أن العمل أساسي لفهم المشهد الكمي، و يمكن للتطبيقات أن تأتي لاحقًا.
يقول ليف: «إذا قارنا علم ميكانيكا الكم بالفترة التي كنا فيها عندما اكتشفنا ما نحتاج إلى معرفته لبناء مصانع كيميائية، على سبيل المثال، يبدو الأمر كما لو أننا نكرر العمل الذي أُنجز في أواخر القرن التاسع عشر الآن».
إن خيط الغاز المليء بالندوب الكمومية هو بداية بحث عن بعض الوجهات المذهلة حقًا.
اقرأ أيضًا:
حسب الفيزياء الكمية، لا وجود للحقيقة، الا عندما نقيسها.
ترجمة: رياض شهاب
تدقيق: جعفر الجزيري
