تذبذبات كمومية غريبة تكشف عن فيزياء جديدة في مادة غريبة اخبار عربية

اليكم الان تذبذبات كمومية غريبة تكشف عن فيزياء جديدة في مادة غريبة والان إلى التفاصيل من المصدر بتوقيت بيروت_ beiruttime

يستمر خماسي لوريد الزركونيوم في إنتاج تذبذبات كمية تحت مجالات مغناطيسية قوية جدًا بحيث يجب أن يختفي السلوك التقليدي. الائتمان: شترستوك

تظهر التجارب والتحليل النظري أنه في ظل المجالات المغناطيسية الشديدة، تتصرف الإلكترونات الموجودة في خماسي لوريد الزركونيوم بطريقة غير عادية تشير إلى أصل طوبولوجي بدلاً من التفاعلات بين العديد من الجسيمات.

في ظل مجالات مغناطيسية قوية بما يكفي لدفع الإلكترونات نحو حدودها الكمية، فعل خماسي لوريد الزركونيوم (ZrTe₅) شيئًا تقول النظرية التقليدية إنه لا ينبغي أن يحدث. استمرت مقاومتها الكهربائية في التذبذب حتى بعد أن كانت الإلكترونات محصورة في أدنى مستوى طاقة متاح لها، مما دفع الباحثين نحو تفسير غير عادي متأصل في طوبولوجيا المادة.

النتائج التي نشرت في اتصالات الطبيعة، تأتي من تجارب على العازل الطوبولوجي ثلاثي الأبعاد عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق. قام باحثون من جامعة ساو باولو (USP) في البرازيل، ومختبر لوس ألاموس الوطني، وجامعة واشنطن، ومؤسسات أمريكية أخرى بدمج قياسات النقل الكهربائي في المجالات المغناطيسية التي تصل إلى 60 تسلا مع النمذجة النظرية. أجريت التجارب عند درجة حرارة حوالي 0.7 كلفن (-272.45 درجة مئوية).

يقول جوليو لاريا جيمينيز، الأستاذ في معهد الفيزياء بجامعة جنوب المحيط الهادئ (IF) والمؤسس المشارك ومدير مختبر المادة الكمومية في الظروف القاسية (LQMEC): “يوسع هذا العمل فهمنا لنقل الإلكترون في المراحل الغريبة من المادة، ويشير إلى أن العوازل الطوبولوجية تدعم نقل ليس فقط الشحنة الكهربائية، ولكن أيضًا درجة أساسية أخرى من الحرية: دوران الإلكترون”.

عملت لاريا كمستشارة دكتوراه لـCauê Kaufmann Ribeiro، المؤلف الأول للورقة. أجرى ريبيرو حصة كبيرة من التجارب خلال فترة تدريب في المختبر الوطني للمجال المغناطيسي العالي في لوس ألاموس، الولايات المتحدة، بدعم من برنامج التدريب الداخلي للأبحاث FAPESP في الخارج. شاركت جوانا بالمستروم وشون توماس في تقديم المشورة له هناك.

تغيرات صغيرة تغير الحالة الإلكترونية لـ ZrTe₅

تتمتع العوازل الطوبولوجية بمزيج غير عادي من الخصائص: فداخلها يقاوم التوصيل الكهربائي، بينما يمكن لأسطحها أن تحمل التيار. يأتي هذا السلوك من طوبولوجيا نطاقاتها الإلكترونية، مما يعني البنية الكمومية الشاملة للحالات الإلكترونية المحمية بالتناظرات البلورية.

يعتبر ZrTe₅ مفيدًا بشكل خاص لدراسة هذه الفيزياء لأنه يقع بالقرب من الحدود التي تفصل بين المراحل الطوبولوجية المختلفة. يمكن للتحولات الصغيرة في درجة الحرارة، أو التشوه الميكانيكي، أو التركيب، أو المجال المغناطيسي أن تغير كيفية تصرف إلكتروناتها، مما يجعل المادة بمثابة اختبار مهم للتحولات الطورية الطوبولوجية وأشباه الجسيمات النسبية في المواد الصلبة.

(أ) المقاومة الكهربائية للعازل الطوبولوجي ZrTe₅ تحت المجالات المغناطيسية الشديدة وفي درجات حرارة منخفضة؛ ( ب ) التذبذبات الكمومية غير الدورية أو الشاذة التي لوحظت في نظام المجال العالي. الائتمان: كاو كوفمان ريبيرو

عادةً، يؤدي تطبيق المجال المغناطيسي إلى إجبار الإلكترونات على الدخول في حالات طاقة منفصلة بدلاً من السماح بمدى مستمر من الطاقات المدارية. تُسمى هذه الحالات بمستويات لانداو، نسبة إلى الفيزيائي وعالم الرياضيات السوفييتي ليف لانداو (1908–1968). في المعادن النقية جدًا، تمر مستويات لانداو المتعاقبة عبر مستوى فيرمي – الحد الفاصل بين الحالات الإلكترونية المشغولة وغير المشغولة – مما يؤدي إلى ارتفاع المقاومة الكهربائية وانخفاضها بشكل دوري. تُعرف هذه التغييرات باسم تذبذبات شوبنيكوف-دي هاس، وتتكرر عادةً بدورية منتظمة في 1/B، حيث يمثل B شدة المجال المغناطيسي.

وتستمر التذبذبات الكمومية إلى ما هو أبعد من الحد المتوقع

كسر ZrTe₅ هذا النمط المتوقع. لم تكن تذبذبات مقاومتها المغناطيسية دورية بالطريقة المعتادة 1/B، واستمرت إلى ما هو أبعد من الحد الكمي، حيث يجب أن تشغل الإلكترونات فقط أدنى مستوى لانداو ويجب أن تختفي التذبذبات التقليدية.

“في المواد القريبة من تحولات الطور الطوبولوجي، قد تتوقف الإلكترونات عن التصرف مثل الجسيمات العادية داخل المعدن. تبدأ إثاراتها الإلكترونية في التصرف مثل أشباه الجسيمات المشابهة لفرميونات ديراك – أي الجسيمات النسبية. في عملنا، أظهرنا أن دوران أشباه الجسيمات يلعب دورًا مركزيًا: عندما نطبق مجالات مغناطيسية قوية، فإن التفاعل بين الدوران والمجال المغناطيسي يغير بشكل عميق مستويات طاقة الإلكترونات. ونتيجة لذلك، فإن مستويات لانداو التي تتحرك عادة بعيدًا عن يقول كوفمان: “يمكن للطاقة ذات الصلة في النظام أن “تعود” وتعبرها مرة أخرى. وهذا السلوك غير المعتاد هو ما نسميه مستويات لانداو العائدة”.

ويفسر الباحثون هذا السلوك من خلال ما يعرف بـ”الانحناء الخلفي” لمستويات لانداو. فبدلاً من التحول بثبات في اتجاه واحد مع زيادة المجال المغناطيسي، يمكن لطاقة المستوى أن تنحني للخلف وتعبر مستوى فيرمي مرة أخرى. وينتج عن هذا التقاطع المتكرر تذبذبات إضافية في نظام لا تتوقع النظرية التقليدية حدوثه.

يتم الجمع بين تأثيرين لإنتاج هذا السلوك. تأتي طاقة السيكلوترون من الحركة المدارية للإلكترونات في المجال المغناطيسي، في حين يصف تأثير زيمان كيفية اقتران المجال بدوران الإلكترون. في ZrTe₅، الذي يتمتع بتفاعل مداري قوي، لا يمكن اعتبار هذه المساهمات بشكل مستقل. يتشابك دوران الإلكترون والحركة المدارية، مما يتسبب في تطور مستويات الطاقة بشكل غير خطي مع تغير المجال المغناطيسي.

الطوبولوجيا، وليس تفاعلات الإلكترون، هي التي تشرح الإشارة

كان أحد الأسئلة الرئيسية للدراسة هو ما إذا كانت التذبذبات غير العادية جاءت من تأثيرات العديد من الأجسام، أي التفاعلات الجماعية بين العديد من الإلكترونات، أو من الطوبولوجيا الجوهرية للبنية الإلكترونية للمادة. تشير النتائج إلى أن التفاعلات الإلكترونية ليست مطلوبة لإعادة إنتاج الظاهرة الملاحظة هنا. بدلاً من ذلك، نجح نموذج أحادي الجسيم يعتمد على نموذج ديراك هاميلتون ثلاثي الأبعاد مع اقتران قوي في مدار الدوران في إعادة إنتاج الأنظمة التجريبية بنجاح.

“ما رأيناه هو أن التأثير لا ينبع من تفاعلات العديد من الجسم، بل من طوبولوجيا غير تافهة للنطاقات الإلكترونية،” يلخص لاريا.

يقدم هذا الاستنتاج أيضًا حلاً محتملاً للخلاف طويل الأمد حول سبب قدرة عينات ZrTe₅ المختلفة على إظهار أنواع مختلفة من التذبذبات الكمومية. يُظهر بعضها النمط التقليدي 1/B، والبعض الآخر يُظهر تذبذبات غير دورية في 1/B، ولا يزال البعض الآخر يعرض إشارات تبدو وكأنها تتكرر لوغاريتميًا مع B.

وبدلاً من الحاجة إلى تفسيرات فيزيائية منفصلة، يشير التحليل الجديد إلى أن هذه السلوكيات قد تنشأ جميعها من نفس البنية الإلكترونية الأساسية لديراك. ما يتغير من عينة إلى أخرى قد يكون في المقام الأول كثافة الموجة الحاملة وحجم سطح فيرمي، وهو الحد في مساحة الزخم التي تفصل بين حالات الإلكترون غير المشغولة.

يعلق لاريا قائلاً: “في العينات ذات كثافة الموجة الحاملة المنخفضة، مثل تلك التي تم فحصها هنا، تصبح تأثيرات زيمان وتأثيرات السيكلوترون قابلة للمقارنة في المجالات المغناطيسية التي يمكن الوصول إليها تجريبيًا. وهذا يفضل إعادة دخول مستويات لانداو ويجعل التذبذبات الشاذة مرئية. وفي العينات ذات كثافة الموجة الحاملة الأعلى، يهيمن المصطلح التقليدي، وتحتفظ التذبذبات بدوريتها المعتادة البالغة 1/B”.

يفسر تداخل الدوران شذوذ درجة الحرارة

كشفت التجارب عن ميزة أخرى غير متوقعة. تحتوي التذبذبات على مساهمتين منفصلتين مرتبطتين بحالات إلكترونية مفصولة بالدوران. ولأن تلك الحالات لها كتل فعالة مختلفة، فإن إشاراتها تتداخل مع بعضها البعض.

يساعد هذا التداخل في تفسير سبب عدم ضعف سعة التذبذب مع زيادة درجة الحرارة، كما تنبأ نموذج ليفشيتز-كوسيفيتش التقليدي. بدلًا من ذلك، لاحظ الباحثون حدًا أدنى محليًا للسعة عبر نطاقات معينة من درجات الحرارة، بما يتوافق مع التداخل بين القناتين الإلكترونيتين.

قدمت قياسات المقاومة المغناطيسية الزاوية جزءًا آخر من الصورة. في المجالات المغناطيسية المنخفضة، أشاروا إلى أن ZrTe₅ له سطح فيرمي ثلاثي الأبعاد وإهليلجي تقريبًا. كان التقدير الناتج لكثافة الموجة الحاملة منخفضًا للغاية، حوالي 10¹⁶ لكل سنتيمتر مكعب، مما يدعم الاستنتاج القائل بأن المادة قريبة جدًا من التحول الطوبولوجي.

يتطلب الوصول إلى الظروف اللازمة لمراقبة هذه التأثيرات إنشاء المختبر الوطني للمجال المغناطيسي العالي في لوس ألاموس، وهو واحد من عدد قليل من المرافق القادرة على الجمع بين المجالات النبضية التي تصل إلى 60 تسلا مع درجات حرارة أقل من 1 كلفن. ويشير لاريا إلى أن “هذا النوع من التجارب لا يمكن إجراؤه إلا في أماكن قليلة حول العالم. ويعتبر الوصول إلى هذه المرافق أمرًا تنافسيًا للغاية”.

وبعيدًا عن تفسير التذبذبات غير العادية، فإن النتائج تعزز دور ZrTe₅ كمنصة لاستكشاف المراحل الطوبولوجية الأخرى للمادة. يقترح الباحثون أن ضبط التماثلات البلورية، وكثافة الناقل، والإجهاد الميكانيكي، ودرجة الحرارة، والمجال المغناطيسي بعناية، يمكن أن ينتج حالات أكثر غرابة، بما في ذلك المراحل التي تتضمن أشباه جسيمات ويل. “لقد قدمت تجربتنا أول عرض تجريبي لعملية كانت في السابق محاطة بالجدل،” يلخص لاريا.

المرجع: “مستويات لانداو العائدة في عازل طوبولوجي لديراك” بقلم C. Kaufmann Ribeiro، JC Mutch، Q. Jiang، JP Ayres-Sims، K. Rubi، CA Mizzi، EA Peterson، D. Bulmash، J. Singleton، N. Harrison، PFS Rosa، JX Zhu، JH Chu، J. Larrea Jiménez، SM Thomas and JC Palmstrom، 22 مايو 2026, اتصالات الطبيعة.دوى: 10.1038/s41467-026-72885-9

تم دعم العمل أيضًا بواسطة FAPESP من خلال ملف منحة المحقق الشاب منحت لاريا وحصلت على تمويل من مؤسسات أمريكية، بما في ذلك مختبر لوس ألاموس الوطني، والمختبر الوطني للمجال المغناطيسي العالي، والمؤسسة الوطنية للعلوم، ووزارة الطاقة الأمريكية.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.

المصدر الأصلي:

scitechdaily.com

تاريخ النشر لدى المصدر:

2026-08-23 04:54:00

كاتب المصدر:

José Tadeu Arantes, São Paulo Research Foundation

نُقل هذا المحتوى آلياً من المصدر المشار إليه أعلاه، وتبقى حقوق المحتوى والمعلومات

للمصدر الأصلي. قد يخضع النص لمعالجة أو ترجمة آلية قبل النشر.