كتب – باسل يوسف:
في أبريل 1982، حقق البروفيسور دان شيختمان من معهد تكنيون للتكنولوجيا، اكتشافا رائدا أكسبه لاحقًا جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2011: البلورة شبه الدورية. عندما فحص المادة باستخدام حيود الإلكترون، بدت “غير منظمة” على نطاق صغير، لكنها أظهرت نمطًا مميزًا ومتماثلًا عند النظر إليها على نطاق أكبر.
في ذلك الوقت، كان يُعتقد أن هذا النوع من البنية مستحيل، وواجه شيختمان سنوات من الشكوك قبل أن يقبل المجتمع العلمي نتائجه. كان أول علماء الفيزياء الذين قدموا تفسيرًا نظريًا هم البروفيسور دوف ليفين، الذي كان آنذاك طالب دكتوراه في جامعة بنسلفانيا، ومشرفه البروفيسور بول شتاينهاردت. كانت رؤيتهم الأساسية هي أن شبه البلورات تتبع بنية دورية – ولكن في فضاء ذي أبعاد أعلى يتجاوز الأبعاد الثلاثة التي نختبرها. سمح لهم هذا الإدراك بوصف وتوقع الخصائص الميكانيكية والديناميكية الحرارية لشبه البلورات.
الأبعاد في شبه البلورات
يمتد مفهوم البعد المكاني الأعلى إلى فضائنا ثلاثي الأبعاد المألوف – الطول والعرض والارتفاع – من خلال تقديم اتجاهات إضافية عمودية على الثلاثة. من الصعب تصور ذلك، حيث لا يمكننا إدراك العالم من حولنا إلا كفضاء ثلاثي الأبعاد، وأكثر صعوبة في القياس. مثال على كائن رباعي الأبعاد هو التيسيراكت، والمعروف أيضًا باسم المكعب الفائق. تمامًا كما يتكون المكعب من 6 أوجه مربعة، يتكون التيسيراكت من 8 خلايا مكعبة. على الرغم من أننا لا نستطيع تصور مكعب رباعي الأبعاد بشكل كامل، إلا أننا نستطيع تمثيله من خلال إسقاطاته، تمامًا مثل النظر إلى ظل مكعب ثلاثي الأبعاد على قطعة ورق ثنائية الأبعاد.
في مخطوطة جديدة نُشرت في مجلة ساينس، ألقى باحثون من معهد تيشنيون، بالتعاون مع جامعتي شتوتجارت ودويسبورج-إيسن في ألمانيا، الضوء على هذه الظاهرة. في دراستهم، بقيادة البروفيسور جاي بارتال والدكتور شاي تسيس من كلية أندرو وإيرنا فيتربي للهندسة الكهربائية والحاسوبية، والبروفيسور هارالد جيسن من جامعة شتوتغارت، والبروفيسور فرانك ماير زو هيرينجدورف من جامعة دويسبورغ-إيسن، أثبتت مجموعة البحث أن البلورات ذات الأبعاد الأعلى لا تملي فقط الخصائص الميكانيكية للبلورات شبه الدورية – بل تحدد أيضًا خصائصها الطوبولوجية.
دور الطوبولوجيا في فهم شبه البلورات
الطوبولوجيا فرع من فروع الرياضيات يدرس الخصائص الهندسية التي تظل دون تغيير في ظل التشوهات المستمرة. تركز طوبولوجيا الفضاءات ذات الأبعاد الأعلى على خصائص الأشياء في أكثر من 3 أبعاد ويمكن أن تساعد، على سبيل المثال، في دراسة بنية الكون وتطوير خوارزميات الحوسبة الكمومية. فحص الباحثون أنماط التداخل شبه الدورية للموجات السطحية الكهرومغناطيسية واكتشفوا، أنه على الرغم من أن الأنماط تبدو مختلفة، فإن خصائصها الطوبولوجية في بعدين لا يمكن استخدامها للتمييز بينها. وجدوا أن الطريقة الوحيدة للتمييز بين الأنماط كانت بالإشارة إلى بلورة “أصلية” ذات أبعاد أعلى.
يتفق هذا الفهم مع التفسير الذي قدمه ليفين وشتاينهاردت، والذي استند إلى اكتشاف سابق لعالم الرياضيات البريطاني، السير روجر بنروز (الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء عام 2020) ونقله لاحقًا نيكولاس دي بروين.
الزمن والسلوك غير المتوقع للموجات السطحية
اكتشف الباحثون أيضًا ظاهرة أخرى مثيرة للاهتمام: ظهر نمطان طوبولوجيان مختلفان للموجات السطحية متطابقين عند قياسهما بعد فترة زمنية محددة. كانت هذه الفترة قصيرة للغاية، حيث قيست بالأتوثانية – جزء من مليار من مليار من الثانية. تفسر النظرية الأصلية التي وضعها ليفين وشتاينهاردت هذه الظاهرة مرة أخرى على أنها “منافسة” بين الخصائص الطوبولوجية والديناميكية الحرارية (الطاقة) للبلورات.
جاءت هذه النتائج باستخدام طريقتين: المجهر الضوئي المسحي القريب المدى الذي أجراه الدكتور كوبي كوين في مختبر البروفيسور جاي بارتال والمجهر الإلكتروني الانبعاثي الضوئي ثنائي الفوتون، الذي جرى قياسه بالتعاون بين جامعة شتوتغارت وجامعة دويسبورج – إيسن في ألمانيا. تمهد الاكتشافات المذكورة في المخطوطة الطريق لأساليب جديدة لقياس الخصائص الديناميكية الحرارية للبلورات شبه الدورية.
في المستقبل القريب، يخطط الباحثون لتوسيع نطاق نتائجهم لتشمل أنظمة فيزيائية أخرى والبحث بشكل أعمق في التفاعل بين الخصائص الديناميكية الحرارية والطوبولوجية. ومن المحتمل أن تُستخدم الخصائص الطوبولوجية الفريدة ذات الأبعاد الأعلى للبلورات شبه البلورية في المستقبل لتمثيل المعلومات وتشفيرها ونقلها.
اقرأ أيضا:
