الفيزيائيون يدرسون طريقة للتحكم في كم منفرد من الطاقة
تصنع التجربة المقترحة مخزنين للطاقة «C وD» من أيونات محصورة وتنقل كمات الطاقة بين المخزنين من خلال العزم المغزلي لمغناطيس كمي يقع بينهما: «إليخاندرو برموديز- Alejandro Bermudez» و«توبياس شيتز – Tobias Schaetz» مجلة «نيو جورنال أوف فيزكس – New Journal of Physics»
اقترح الفيزيائيون ما يعتقدون أنها أول طريقة للتحكم في نقل الطاقة على مستوى الكم الواحد (أي الفونونات غالبًا). وأظهروا نظريًا إمكانية التحكم في تدفق كم منفرد من الطاقة عن طريق مغناطيس كمي باستخدام أشعة الليزر مع تحكم دقيق بالترددات وكثافاتها.
وإذا نفذ هذا الاقتراح فسيسمح للباحثين باكتشاف ظاهرة نقل الطاقة الكمية التي يتوقع أنها مختلفة كليًا عما نشاهده على المستوى الميكروسكوبي عند نقل الطاقة، وقد يقودنا فهم عمليات نقل الطاقة في أجهزتنا ذات المقاييس الصغيرة إلى تطوير طرائق لتقليل تشتت الطاقة وخصوصًا في الرقاقات الصغيرة للحواسيب.
ونشر العالمان إليخاندرو برموديز، من معهد الفيزياء الأساسية في مدريد، إسبانيا، وتوبياس شيتز من جامعة فرايبورغ، ألمانيا، ورقة بحثية تشرح طريقتهما المقترحة في مجلة «نيو جورنال أوف فيزكس»
وقال أليخاندرو برموديز لموقع phy.org: «تعرفنا على آلية كمية جديدة تسمح لنا بالتحكم في نقل الطاقة/الحرارة على مستوى الكم الواحد. وتمثل هذه الآلية نظيرًا «لحصار كولوم – Coulomb blockade» التقليدي في أجهزة النانو تكنولوجي، واقترحنا طريقة لاختبارها باستخدام بلورات من الأيونات الذرية المحصورة ذاتية التجميع.»
اقترح العالمان في الدراسة بناء خزان طاقة باستخدام أيونات المغنيسيوم المحصورة. وبالاستعانة بالليزر لتسخين الأيونات ثم تبريدها، تجبر الأيونات على امتصاص أو إطلاق كميات ضئيلة من الطاقة، وتعمل بذلك كخزانات فائقة الصغر للطاقة.
الخطوة التالية هي نقل الطاقة، ويقترح الباحثان وضع مغناطيس كمي اصطناعي يتكون من خط طويل من المغانط الدوارة التي تكون سلسلة – بين خزاني طاقة. وعندما يقترن الخزانان مع دوران المغناطيس، فإنهما يستطيعا تبادل الطاقة مع بعضهما البعض على شكل فونونات، وبهذه الطريقة يحصل تبادل للطاقة على المستوى الكمي من خلال سلسلة المغازل.
يوضح العالمان أنه يمكن النظر إلى نقل الطاقة على المستوى الكمي كنظير إلى شحن الإلكترون أو نقله على مستوى كمي وهو ما تم توثيقه بالفعل. ومثلما يختلف نقل إلكترون منفرد عن النقل الجماعي للإلكترونات فإنه يتوقع أن يكون النقل الكمي للطاقة مختلفًا للغاية عن نقل الطاقة على مقاييس أكبر.
ترتبط إحدى الظواهر المعروفة مع نقل إلكترون منفرد، وهي ظاهرة لا يمكن رصدها على مقاييس كبيرة، تدعى هذه الظاهرة ب « تأثير حصار كولومب – Coulomb-blockade effect»، فعلى مقاييس نانومترية، لا بد للإلكترونات من اكتساب مستوى معين من شحن الطاقة حتى يتسنى لها أن تمر عبر حاجز معين، وعندما يستطيع إلكترون أن يكسب هذه الطاقة ويعبر، فإنه سيمنع عملية الانتقال لحظيًا في وجه الإلكترونات الأخرى، لأن الإلكترونات الإضافية ستطلب طاقة إضافية، وسينتهك تأثير هذا الحصار الناتج قانون أوم لنقل للشحنة، وينتج فقط في كل إلكترون منفرد يعبر نفقيًا على حدة.
أوضح الفيزيائيون في دراسة جديدة، نظريًا أن نظيرًا مشابهًا لتأثير حصار كولوم يحصل مع انتقال الحرارة وعلى مقياس نانومتري، ولا يظهر تأثيره على مقاييس أكبر. واشتق العالمان معادلة كمية لانتقال الطاقة يظهر فيها أنه توجد «نافذة انتقالية» تتعرف من خلالها على مستوى الطاقة المطلوب لسفر الكم الواحد من الطاقة عبر مغناطيس كمي، وتتشابه هذه الحالة مع الإلكترونات، حيث يتم نقل الطاقة وحصاره ومنعه عندما لا يملك كم الطاقة المنفرد طاقة كافية، ويسمي الباحثون هذا التأثير «تأثير حصار لسنغ – lsing bloackade effect»، منتهكًا بذلك قانون فوريه لتوصيل الحرارة مما ينتج نقل كم منفرد للطاقة في كل مرة.
إذا تم التحقق من إمكانية تطبيق هذه التجربة، يتوقع الباحثان رصد تأثير حصار لسنغ بالإضافة إلى العديد من التأثيرات الكمية المميزة في نقل الطاقة المحصورة حتى الآن في التيارات الإلكترونية فقط، وفي هذه المرحلة فإنه يصعب تمييز ماهية التطبيقات الكمية التي قد نرصدها في عمليات نقل الطاقة، ويقول برموديز: «عمومًا إذا استطعنا إظهار التأثير ذاته، وكان عمليًا من النواحي الفيزيائية والتطبيقية، فإننا قد نتفاجئ بتطبيقات غير متوقعة مشابهة للإلكترونات الوحيدة؛ أي الإلكترون في أجهزة حصار كولوم. وواحدة من أكبر التحديات في فهم هذه التجربة ستكون في تصميم جهاز يستطيع قياس الكميات الضئيلة من الطاقة الحرارية مباشرة.»
ويضيف قائلًا «نخطط لاكتشاف هذا النوع من الفيزياء في مختبر زميلي البروفيسور سشاتز، في جامعة فرايبورغ، وعلى الرغم من أن المتطلبات التجريبية لتنفيذ هذا المشروع صارمة، إلا أن البروفيسور شيتيز سيقود فريقًا متخصصًا من نخبة الباحثين مع التقنية المطلوبة لمواجهة هذا التحدي.»
ترجمة: قصي أبوشامة
تدقيق: أحمد شهم شريف
