ظهرت حالة كمية للمادة في مادة اعتقد الفيزيائيون أنها ستكون مستحيلة، مما اضطرهم إلى إعادة التفكير في الشروط التي تحكم سلوك الإلكترونات في مواد معينة.

يمكن لهذا الاكتشاف، الذي قام به فريق دولي من الباحثين، أن يفيد في التقدم في الحوسبة الكمومية، وتحسين الكفاءة الإلكترونية، وتعزيز الاستشعار والتصوير.

كان من المتوقع نظريًا ظهور الحالة، التي توصف بأنها مرحلة نصف معدنية طوبولوجية في درجات حرارة منخفضة في مادة مكونة من السيريوم والروثينيوم والقصدير (CeRu₄سن₆) قبل أن تثبت التجارب وجوده.

في درجات حرارة منخفضة للغاية، CeRu₄سن₆ يصل الحرجية الكمومية, نقطة تتأرجح فيها المادة بين التغيرات في مرحلتها، حيث تكون الظروف باردة جدًا بحيث تهيمن التقلبات الكمومية، مما يحول المادة فعليًا إلى بركة من الأمواج بدلاً من ضباب من الجسيمات.

متعلق ب: “أينشتاين الصغير” البلجيكي يحصل على درجة الدكتوراه في فيزياء الكم في سن الخامسة عشرة

إن تطور الحبكة في هذه الدراسة هو أن الأهمية الكمومية يمكن أن تؤدي إلى حالات يُعتقد أنها تحددها التفاعلات بين الجسيمات، مثل سلوك الإلكترونات كحاملات شحنة منفصلة.

“هذه خطوة أساسية إلى الأمام” يقول الفيزيائي كيمياو سي، من جامعة رايس في الولايات المتحدة.

“يُظهر عملنا أن التأثيرات الكمومية القوية يمكن أن تتحد لتكوين شيء جديد تمامًا، مما قد يساعد في تشكيل مستقبل علم الكم.”

في الفيزياء، تشير الطوبولوجيا إلى هندسة الهياكل المادية. يمكن لحالات طوبولوجية معينة تحمي خصائص الجسيمات، على عكس الطريقة التي قد تتصادم بها الجسيمات المجاورة وتعطل سلوك بعضها البعض.

عادةً ما يتطلب فهم الحالات الطوبولوجية تجميع الخصائص معًا في خرائط تشبه الجسيمات، وهو أمر لا يُعتقد أن المادة تمتلكه في ظل الحرجة الكمومية.

تعتبر كل من الأهمية الكمومية والطوبولوجيا مفيدة في المواد لأسباب مختلفة. إن جمعها معًا يمكن أن يؤدي إلى فئة جديدة من المواد ذات الحساسية القوية كم عدد الإجابات واستقرار موثوق.

من اليسار إلى اليمين، سيلك بوهلر باشين، ودييجو زوكو، وديانا كيرشباوم – بعض الباحثين المشاركين في الدراسة. (تي يو فيينا)

عندما برد الباحثون CeRu₄سن₆ إلى القريب الصفر المطلق وبعد تطبيق شحنة كهربائية، لاحظوا ظاهرة تعرف باسم تأثير القاعة في الإلكترونات التي تحمل التيار عبر المادة. في الأساس، عازمة الحالية جانبية.

ووفقا للباحثين، كانت هذه إشارة واضحة للتأثيرات الطوبولوجية. يتطلب تأثير هول عادةً أ المجال المغنطيسي لتشتيت الإلكترونات، ولكن لم يكن هناك مجال مغناطيسي موجود في هذه الحالة. وبدلاً من ذلك، تم تشكيل مسار التيار بواسطة شيء متأصل في المادة.

“كانت هذه هي الفكرة الرئيسية التي سمحت لنا أن نثبت بما لا يدع مجالاً للشك أن وجهة النظر السائدة يجب أن يتم مراجعتها”. يقول الفيزيائي سيلك بوهلر باشين من جامعة فيينا للتكنولوجيا.

علاوة على ذلك، وجد العلماء أنه حيثما كانت المادة غير مستقرة أكثر من حيث أنماطها الإلكترونية، كان التأثير الطوبولوجي أقوى؛ لقد أدت التقلبات الكمومية الحرجة بالفعل إلى استقرار المرحلة المكتشفة حديثًا.

هناك الكثير من العمل للقيام به. يريد الباحثون معرفة ما إذا كان هذا الحالة الكمومية يمكن العثور عليها في مواد أخرى، لتحديد مدى عموميتها.

إنهم يريدون أيضًا إلقاء نظرة فاحصة على الهيكل الذي تمت ملاحظته هنا، والشروط الدقيقة المطلوبة لجعل ذلك ممكنًا.

“تعالج النتائج فجوة في فيزياء المادة المكثفة من خلال إظهار أن التفاعلات الإلكترونية القوية يمكن أن تؤدي إلى حالات طوبولوجية بدلاً من تدميرها.” يقول و.

“بالإضافة إلى ذلك، فإنها تكشف عن حالة كمومية جديدة ذات أهمية عملية كبيرة.”

“إن معرفة ما يجب البحث عنه يسمح لنا باستكشاف هذه الظاهرة بشكل أكثر منهجية”. يضيف.

“إنها ليست مجرد رؤية نظرية، إنها خطوة نحو تطوير تقنيات حقيقية تستغل أعمق مبادئ فيزياء الكم.”

وقد تم نشر البحث في فيزياء الطبيعة.

إقرأ المزيد