كتب – رامز يوسف:
لأول مرة، حوّل باحثون الضوء إلى “مادة فائقة الصلابة” – وهي حالة غريبة من المادة صلبة وسائلة في آنٍ واحد.
على الرغم من أن العلماء سبق أن صنعوا مواد صلبة فائقة من الذرات، فإن هذه أول حالة من اقتران الضوء والمادة لإنشاء مادة فائقة الصلابة، وهي تفتح آفاقًا جديدة لدراسة فيزياء المادة المكثفة، وفقًا لما أوضحه الباحثون في ورقة بحثية نُشرت في مجلة ساينس.
ما هي المادة فائقة الصلابة؟
المواد فائقة الصلابة هي حالة غريبة من المادة تُعرّفها ميكانيكا الكم، حيث تتكثف الجسيمات إلى مادة صلبة بلورية منتظمة، ولكنها تتحرك أيضًا كسائل عديم اللزوجة. (اللزوجة هي الاحتكاك الداخلي للمادة، الذي يحكم انسيابية تدفقها). عادةً، لا تتحرك المواد الصلبة من تلقاء نفسها، لكن المواد الصلبة الفائقة تُغير اتجاهها وكثافتها تبعًا لتفاعلات الجسيمات مع الحفاظ على بنية شبكية منتظمة.
لماذا تكون المواد فائقة الصلابة باردة جدًا؟
تتطلب المواد فائقة الصلابة درجات حرارة منخفضة للغاية لتتشكل – عادةً ما تكون قريبة جدًا من الصفر المطلق (-273.15 درجة مئوية). يجب أن تشغل معظم الجسيمات أدنى مستوى طاقة متاح، والحرارة تجعل الجسيمات تقفز لأعلى ولأسفل كأطفال صغار متحمسين في حوض كرات.
إذا كانت المادة باردة بما يكفي، فإن درجة الحرارة لم تعد تحجب كيفية تفاعل الجسيمات مع بعضها البعض. بدلًا من ذلك، تصبح التأثيرات الدقيقة لميكانيكا الكم هي العوامل المحددة لسلوك المادة.
تخيل أن الأطفال الصغار قد عادوا إلى منازلهم وأن حوض الكرات قد استقر في حالة من الهدوء. الآن يمكننا أن ندرس بسلام كيفية تفاعل مكونات حوض الكرات الفردية مع بعضها البعض لتحديد خصائصه.
كيف يمكن لسائل أن يكون بلا لزوجة؟
اللزوجة هي مقياس لمدى سهولة تغيير شكل السائل. يميل السائل ذو اللزوجة العالية إلى الالتصاق بنفسه أكثر، وبالتالي يقاوم الحركة، كما يتحرك الشراب ببطء أكبر عند سكبه من وعاء مقارنةً بتدفق الماء من الصنبور. جميع السوائل، باستثناء الموائع الفائقة والصلبة الفائقة، لها قدر من اللزوجة.
أشهر مثال على سائل عديم اللزوجة هو الهيليوم المُبرّد إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق ببضع درجات. الجسيمات لا تكون ساكنة تمامًا عند الصفر المطلق؛ بل تتذبذب قليلاً بسبب مبدأ عدم اليقين. في حالة نظير الهيليوم-4، تتذبذب كثيرًا – بما يكفي لجعل عينة من الهيليوم-4 صلبة عند الصفر المطلق مستحيلة، إلا إذا وُجد ضغط يعادل حوالي 25 ضغطًا جويًا لدمج الجسيمات معًا.
يؤدي تذبذب الهيليوم-4 عند الصفر المطلق، بالإضافة إلى ظواهر كمية أخرى، إلى تغييرات جذرية في سلوك السائل. يتوقف عن الاحتكاك (وبالتالي، يفقد لزوجته) ويمكنه سحب نفسه بسرعة من الأوعية، من بين أمور أخرى.
كيف يمكننا تحويل الضوء إلى مادة صلبة؟
صُنعت المواد فائقة الصلابة من الغازات الذرية سابقًا. ومع ذلك، استخدم البحث الجديد آلية جديدة تعتمد على خصائص أنظمة “البولاريتونات”.
تتشكل البولاريتونات عن طريق اقتران الفوتونات (الضوء) وأشباه الجسيمات مثل الإكسيتونات من خلال تفاعلات كهرومغناطيسية قوية. تسمح خصائصها بالتكثف إلى أدنى مستوى طاقة ممكن بطريقة مشابهة لبعض الغازات الذرية. بمعنى آخر، يقترن الضوء بالمادة، ويمكنهما معًا تكثيفها لتكوين مادة صلبة فائقة.
ما فائدة المواد فائقة الصلابة؟
تُعدّ دراسة المواد فائقة الصلابة أمرًا مهمًا لأنها تُظهر آثار التفاعلات الكمومية الدقيقة بين الجسيمات دون أن تُعيقها درجة الحرارة. عندما نُحدد سلوك وخصائص المواد فائقة الصلابة، فإننا ننظر في الواقع إلى كيفية تكوّن الذرات والجسيمات. وهذا يُعلّمنا عن العالم الذي نعيش فيه على مستوى أساسي.
مع المزيد من البحث والتطوير، يُمكن استخدام المواد فائقة الصلابة في الحوسبة الكمومية، والموصلات الفائقة، ومواد التشحيم الخالية من الاحتكاك، وتطبيقات لم نبدأ حتى التفكير فيها بعد. هناك العديد من الاحتمالات التي لم نكتشفها بعد – ويُعدّ صنع مادة صلبة فائقة من الضوء خطوةً كبيرةً إلى الأمام.
المصدر: livescience
اقرأ أيضا:
