كتب – باسل يوسف:
للمرة الأولى، لاحظ الباحثون نوعًا من شبه الجسيم يتصرف بطريقة غير عادية. في اتجاه واحد، يتصرف وكأنه ليس له كتلة، ويتحرك بسرعة وكأنه مصنوع من طاقة نقية.
وعند الدوران في اتجاه آخر، فإنه يحمل كتلة، ويتباطأ ويقاوم الحركة.
ظهر هذا الكيان الغامض، المسمى فرميون شبه ديراك، نظريًا منذ حوالي 16 عامًا ولكن لم يُرصد أبدًا داخل مادة حقيقية.
بعد تجارب دقيقة، أعلن فريق مكون من علماء من جامعة ولاية بنسلفانيا وجامعة كولومبيا مؤخرًا عن اكتشافه في مجلة Physical Review X.
نتائج غير متوقعة في بلورة
رُصد شبه الجسيم الغريب داخل بلورة تُعرف باسم ZrSiS، وهو نوع من شبه المعدن. لم يكن الفريق قد شرع في البحث عن فرميونات شبه ديراك ولكن بدلاً من ذلك عثر عليها بالصدفة.
“كان هذا غير متوقع تمامًا”، هكذا صرخ المؤلف الرئيسي للورقة البحثية ينمينج شاو، الأستاذ المساعد في جامعة ولاية بنسلفانيا.
“لم نكن نبحث حتى عن فرميون شبه ديراك عندما بدأنا العمل بهذه المادة، لكننا رأينا توقيعات لم نفهمها – واتضح أننا حصلنا على أول ملاحظة لهذه الجسيمات شبه الجامحة التي تتحرك أحيانًا كما لو كانت لها كتلة وأحيانًا تتحرك كما لو لم يكن لها كتلة”، كما أوضح شاو.
تسلط هذه النتائج الضوء على كيف أن بعض المواد تخفي سلوكًا جزيئيًا غير عادي لا يتوافق مع التوقعات الفيزيائية.
داخل المواد الصلبة، يمكن للعديد من الجسيمات أن تتكتل معًا لتكوين سلوك ناشئ. ومن خلال هذه التفاعلات حدد الباحثون التحول الغريب بين الحركة عديمة الكتلة والحركة الضخمة.
يتبع الاكتشاف التنبؤات التي أُطلقت في عامي 2008 و2009، عندما حدد علماء الفيزياء النظرية إمكانية وجود جسيمات تتصرف بشكل مختلف اعتمادًا على اتجاه سفرها.
الجسيمات شبه الديراكية: من النظرية إلى الواقع
بعد 16 عامًا من تلك التنبؤات، تمكن الفريق من التقاط الفرميون شبه الديراكي من خلال التحليل الطيفي المغناطيسي البصري.
وسلطوا الضوء تحت الأحمر على البلورة مع تطبيق مجال مغناطيسي قوي ثم فحصوا الضوء المنعكس للكشف عن خصائص الجسيم شبه الديراكي.
“كنا ندرس الاستجابة البصرية، وكيف تستجيب الإلكترونات داخل هذه المادة للضوء، ثم درسنا الإشارات الصادرة عن الضوء لمعرفة ما إذا كان هناك أي شيء مثير للاهتمام حول المادة نفسها، وحول الفيزياء الأساسية لها”، كما أشار شاو.
وقال “في هذه الحالة، رأينا العديد من الميزات التي نتوقعها في بلورة شبه معدنية ثم حدثت كل هذه الأشياء الأخرى التي كانت محيرة تمامًا.”
أتاح إجراء التجربة في مختبر المجال المغناطيسي العالي الوطني في فلوريدا الاستفادة من أحد أقوى المجالات المغناطيسية المستدامة على الأرض.
عرض الفريق عينة من ZrSiS لحقل أقوى بحوالي 900 ألف مرة من المجال المغناطيسي للأرض.
كما لجأوا إلى تبريد المادة إلى حوالي -452 درجة فهرنهايت، ما ساعد على تقليل الحركة غير المرغوب فيها للجسيمات وكشف عن الأنماط الدقيقة لمستويات الطاقة داخل البلورة.
تتحرك الجسيمات شبه الجسيمية التي ليس لها كتلة بسرعة الضوء. على سبيل المثال، الفوتون عديم الكتلة وينطلق بسرعة الضوء.
في ظل ظروف معينة، يمكن لسلوك الجسيم أن يتغير، لذا فإن كتلته الفعالة لا تظهر إلا على طول اتجاهات معينة داخل بنية البلورة.
داخل ZrSiS، أصبحت ظروف التحول هذه واضحة من خلال الملاحظة المباشرة لمستويات الطاقة المعروفة بمستويات لانداو.
وجد الباحثون أنه بدلاً من اتباع النمط القياسي المتوقع من الجسيمات الضخمة، أظهرت هذه المستويات علاقة تُعرف بقانون القوة B^(2/3)، الذي يُعتبر توقيعًا لفرميونات شبه ديراك.
تتحرك الإلكترونات المحاصرة في بنية البلورة على طول مسارات معينة. عندما يجبر المجال المغناطيسي حالات طاقتها على الدخول إلى مستويات لانداو، فإن التباعد بين هذه الخطوات يعتمد عادةً على كتلة الإلكترون.
بدلاً من ذلك، حدث شيء مختلف تمامًا. كانت التحولات المرصودة مطابقة للتنبؤات النظرية السابقة لفرميونات شبه ديراك بدلاً من النمط القياسي الموجود في المواد التقليدية.
الجسيمات شبه الجزيئية تغير اتجاهاتها وهويتها
يبدو الأمر وكأن هذه الكيانات الصغيرة تفقد كتلتها عند التحرك في اتجاه واحد، فقط لتستعيدها مرة أخرى عند إجبارها على السير على مسار آخر. يعطل هذا التغيير الاتجاهي التدفق الطبيعي للطاقة وينتج إشارات مميزة.
يقول شاو “تخيل أن الجسيم عبارة عن قطار صغير محصور في شبكة من المسارات، والتي تشكل البنية الإلكترونية الأساسية للمادة.. الآن، تتقاطع المسارات عند نقاط معينة، لذا فإن قطار الجسيمات لدينا يتحرك على طول مساره السريع، بسرعة الضوء، وبعد ذلك يصطدم بتقاطع ويحتاج إلى التبديل إلى مسار عمودي. فجأة، يواجه مقاومة، وتصبح له كتلة. الجسيمات إما أن تكون كلها طاقة أو لها كتلة اعتمادًا على اتجاه حركتها على طول مسارات المادة”.
يخلق هيكل ZrSiS هذه التقاطعات. فبدلاً من تحرك الجسيمات بحرية في جميع الاتجاهات، تُوجه بواسطة ترتيب الذرات. عند نقاط تقاطع معينة، تتغير طبيعة شبه الجسيم.
يتكون ZrSiS من طبقات تشبه مواد أخرى معروفة مثل الجرافيت. يمكن للباحثين عزل صفائح رقيقة جدًا تظهر خصائص غير عادية.
“إنها مادة متعددة الطبقات، وهذا يعني أنه بمجرد أن نتمكن من معرفة كيفية الحصول على طبقة واحدة من هذا المركب، يمكننا تسخير قوة الفرميونات شبه الديراكية، والتحكم في خصائصها بنفس الدقة التي يتمتع بها الجرافين”، كما قال شاو.
بقول “لكن الجزء الأكثر إثارة في هذه التجربة هو أنه لا يمكن تفسير البيانات بالكامل حتى الآن. هناك العديد من الألغاز التي لم تُحل في ما لاحظناه، وهذا ما نعمل على فهمه”.
جذبت مثل هذه المواد المتعددة الطبقات اهتمامًا لمجموعة واسعة من الاستخدامات. ودُرس الجرافين لتخزين الطاقة المتطورة، والإلكترونيات المتقدمة، وأجهزة الكشف الحساسة.
يمكن أن يتبع ZrSiS، المعروف الآن باستضافة الفرميونات شبه الديراكية، مسارًا مشابهًا نحو الأجهزة المستقبلية.
مع الجهود الدقيقة، قد يصبح جزءًا قيمًا من أجهزة الاستشعار المستقبلية، أو أجهزة الطاقة، أو غيرها من التقنيات الناشئة.
نُشرت الدراسة الكاملة في مجلة Physical Review X.
اقرأ أيضا:
