اكتُشف نوع مميز من الكريستال يمكنه التحكم في قوانين السير الكمومي الخاصة بالإلكترونات، إذ يمكنه وضع «مكابح» للإلكترونات في ذروة دورانها.
في أثناء البحث عن مواد جديدة غير مألوفة تستطيع احتواء حالة جديدة من المادة، صمم فيزيائيون من جامعة رايس في الولايات المتحدة تجربةً سمحت لهم بإيقاف الإلكترونات المتجولة.
شوهدت هذه الظاهرة من قبل في بعض المواد، لكن توقف الإلكترونات كان محصورًا في بُعد ثنائي فقط، تلك هي المرة الأولى التي تُلاحظ في بنية بلورية ثلاثية الأبعاد، تعرف بالبيروكلور.
تمد هذه التقنية الباحثين بأداة جديدة لدراسة النشاطات غير مألوفة للجسيمات المشحونة.
قال الفيزيائي مينغ يي من جامعة رايس: «نبحث عن مواد تتيح إمكانية خلق حالة جديدة من المادة، أو تتسم بمزايا مثيرة جديدة لم نكتشفها بعد».
تُعد معرفة السلوك الكمومي الموجي للإلكترونات ضرورية لفهم كيفية تنسيق نشاطها في ظل بعض الظروف المحددة. عند تبريد الإلكترونات، يمكن للقوى الموجية الإلكترونية أن تتحد معًا في إحدى صور التشابك، ما يسمح لها بالانسياب خلال المواد الصلبة كالأشباح، ما يؤدي إلى ظهور مواد ذات فعالية في نقل الطاقة، تُسمى الموصلات الفائقة.
قد يُدار السلوك الإلكتروني بطرق أخرى، مثل ترتيب النسب الصحيحة من العناصر معًا لإنتاج تقاطعات فريدة من نوعها، يشبه عملها إشارات المرور، ما يقلل الفوضى أو العشوائية ويحولها إلى طريق يسير بانتظام وهدوء، ما يُسمى الإحباط الهندسي.
يُعد البيروكلور من المعادن المعقدة التي تمتلك صيغة هيكلية مفيدة للأغراض البحثية والصناعية. ويتكون من خليط من النحاس والفناديوم والكبريت، ما يجعله معدن مُحبِط هندسيًا، يمكنه توجيه الموجات الإلكترونية إلى نقاط اختناق «عنق الزجاجة».
قال مينغ: «يشبه تأثير التداخل الكمومي ما يحدث عند تصادم موجتين ذات مركزين مختلفين على سطح بركة».
«يخلق هذا التصادم موجة ثابتة لا تتحرك. في حالة المعادن المُحبِطة هندسيًا، تكون تلك الموجات المتصادمة هي الموجات الإلكترونية التي تتصادم تصادمًا مدمرًا».
سمحت تقنية «التحليل الطيفي للانبعاث الضوئي ذو الزاوية المحددة» لفريق الباحثين بقياس الطاقة وزخم الحركة للإلكترونات في جسيم كريستالي ثلاثي الأبعاد، ما أظهر أن طاقة الإلكترونات وزخم حركتها لا يعتمد أحدهما على الآخر كما هو معتاد.
في هذا الفضاء غير المألوف، الذي يُعرف بالنطاق المسطح، تخضع التفاعلات بين الإلكترونات الخاملة لمجموعة مختلفة من القواعد، التي قد تمنح الفيزيائيين طريقة جديدة لفهم الظواهر الكهرومغناطيسية، مثل الموصلية الفائقة.
شوهد هذا الحدث من قبل في مواد ثنائية الأبعاد تُعرف باسم مجسم كاجومي، إلا أن ظهور نطاق مسطح من تداخل الموجات الإلكترونية التي تشق طريقها عبر مجسم كريستالي ثلاثي الأبعاد، يوفر إثباتًا لمفهوم جديد قد يقود إلى فئة جديدة كليًا من المواد.
يقول الفيزيائي بجامعة رايس كاي ماو سي: «البيروكلور ليس المادة الوحيدة ها هنا. يسمح مبدأ التصميم الجديد للعلماء بالتعرف على مواد أخرى تنشأ بها نطاقات مسطحة أيضًا بسبب الارتباطات الإلكترونية القوية».
اقرأ أيضًا:
تشكل نوع نادر من الكريستال في أثناء اختبار قنبلة نووية
اكتشاف نوع غريب من الكريستال يذوب ويتغير لونه عند تعرضه للضوء
ترجمة: محمد إسماعيل
تدقيق: زين حيدر
