عندما لا تكون الأمور منطقية في عالم الكم، لا يتمكن العلماء دائمًا من العثور على تفسير جيد لما يرونه. في كثير من الأحيان، يصلون إلى حل عن طريق الصدفة، وهو الأمر الذي يبدأ عادةً بإدراك أن الإشارة الغريبة ليست إشارة خاطئة.
كان الباحثون على علم بظاهرة غريبة حيث يبدو أن المادة الموصلة في البداية تفقد قدرتها على توصيل الكهرباء تمامًا. على الرغم من أن الفيزيائيين اشتبهوا في وجود الإلكترونات، إلا أنهم كافحوا لتحديد الآلية الدقيقة. لكن بحثًا جديدًا نُشر في دورية Physical Review Letters يحدد السبب – أو بالأحرى الجناة – وراء هذا الفعل المختفي: وهو اندماج الجسيمات المشار إليها باسم بولارونات.
وهذا الترتيب المحدد يخلق “رقصة” غريبة بين الإلكترونات والذرات المحيطة بها، مما يؤدي في النهاية إلى منع تدفق الكهرباء في المادة، وفقًا للباحثين. تمثل هذه النتائج المرة الأولى التي يتم فيها العثور على بولارونات داخل مركب يعتمد على الثوليوم والسيلينيوم والتيلوريوم، وهي معادن أرضية نادرة أساسية لتصنيع التقنيات المتقدمة.
وقال كاي روسناجل، كبير مؤلفي الدراسة والعالم في معهد DESY في ألمانيا، في بيان: “حقيقة أننا تمكنا من جعلها مرئية هنا لأول مرة تظهر الظواهر الجديدة المثيرة للاهتمام التي لا يزال يتعين اكتشافها في الكون الكمي للمواد”.
ليس الكثير، ولكن واحد
تنتمي البولارونات إلى عائلة من الأجسام الكمومية الغريبة التي تسمى أشباه الجسيمات. ببساطة، تصف أشباه الجسيمات كيف تتصرف مجموعة من الجسيمات، في ظل ظروف معينة، بشكل جماعي كجسيم واحد. تميز البولارونات التفاعل بين الإلكترونات والذرات، وهي في هذه الحالة المركب المعدني النادر. تعمل الطبقات الذرية المشوهة قليلاً على إبطاء الإلكترونات بشكل كبير، مما يعيق تدفق الإلكترونات – الكهرباء.
وأشار الباحثون في البيان إلى أن هذه التحولات “تظهر أن خصائص المادة لا يمكن تفسيرها من خلال تركيبها الكيميائي وحده”. وأضافوا أن الإلكترونات تميل إلى أن تكون مطلعة على حركات الإلكترونات الأخرى القريبة وسوف تتحرك معًا بسهولة كأشباه جسيمات، في عملية “تشكيل حالات تشبه الجسيمات بخصائص جديدة”.
عثرة صغيرة غريبة
بدأ الفريق في البداية في التحقق من الخصائص العامة للمركب القائم على الثوليوم. لقد أجروا قياسات مختلفة للمادة باستخدام مصادر إشعاع مختلفة، بما في ذلك الأشعة السينية المكثفة في مسرعات الجسيمات. لسبب ما، استمروا في رؤية نتوء صغير بجوار الإشارة الرئيسية.
وكالعادة، اعتبروا ذلك خطأ فنيا، لكن العثرة استمرت طوال القياسات المختلفة. عند هذه النقطة، قرر الباحثون الشروع في تحقيق مركز للإشارة، وهو مشروع استغرق سنوات لإكماله.
وعندما أحضروا نموذجًا عمره 70 عامًا، أصبحت الحسابات منطقية أخيرًا. في الأساس، كان النتوء الصغير نتاج اهتزاز الإلكترونات مع ذرات المركب المعدني على شكل بولارون، وفقًا للورقة البحثية.
وأوضح تشول هي مين، مؤلف الدراسة الرئيسي وعالم الفيزياء في جامعة كيل في ألمانيا، في البيان: “كانت تلك الخطوة الحاسمة”. “وبمجرد إدراج هذا التفاعل في الحسابات، تطابقت المحاكاة والقياسات تمامًا.”
والأكثر من ذلك، أنه من المعروف بالفعل لدى الفيزيائيين أن العديد من المواد الكمومية الحديثة تعرض خصائص مماثلة. إذا تمكن الباحثون من تسخير هذه الخصائص الإلكترونية الغريبة بشكل أفضل، فيمكن أن تسرع البولارونات من وصول مواد مثل الموصلات الفائقة في درجة حرارة الغرفة.