باحثون يكتشفون مادة جديدة ذات خصائص كمومية فريدة

أعلن باحثون من جامعة كولومبيا في نيويورك عن اكتشاف مادة جديدة ذات خصائص كمومية فريدة، أطلقوا عليها اسم Pd₅AlI₂، وهي مادة ثنائية الأبعاد وغير تقليدية وتتميز بخواص كمومية نادرة نتيجة تفاعل غير مسبوق بين المدارات الإلكترونية داخل الذرات، ما يفتح الباب لتصميم مواد فائقة التوصيل ومغناطيسات متقدمة دون الحاجة للمعادن النادرة.

وتتكون من عناصر البلاديوم، والألمنيوم، واليود، وتتميز بأنها معدنية ومستقرة في الهواء الجوي ودرجة حرارة الغرفة، ويمكن تقشيرها إلى طبقات بسمك ذرة واحدة، ما يجعلها مناسبة للتطبيقات في الإلكترونيات ثنائية الأبعاد.

وعلى الرغم من أن البنية البلورية للمادة تبدو تقليدية ظاهرياً، إلا أن الفريق البحثي اكتشف أن توزيع المدارات الذرية يشكّل نمطاً شبيهاً بشبكة “ليب”.

وشبكة “ليب” هي نموذج هندسي فريد في علم المواد يستند إلى شبكة مربعة تقليدية ولكن مع إضافة ذرات في منتصف بعض الأضلاع، ما يؤدي إلى تكوين نمط شبكي غير تقليدي ينتج عنه خصائص إلكترونية غريبة وغير متوقعة.

وفي هذا النوع من الشبكات، لا تنتظم الإلكترونات بطريقة تقليدية، فالإلكترونات تجد نفسها غير قادرة على الاستقرار في توزيع طاقي مريح، ما يدفعها إلى التصرف بشكل جماعي وبطريقة تتحدى قواعد الفيزياء الكلاسيكية.

شبكة ليب

من الناحية النظرية، فهذا النوع من الشبكات يمكن أن يؤدي إلى ظهور نطاقات طاقة مسطحة، وهي حالات تكون فيها الإلكترونات محصورة طاقياً ولا تتحرك بحرية، ما يُهيئ البيئة لظهور ظواهر كمومية مثيرة مثل “الموصلية الفائقة”، و”المغناطيسية الكمومية”.

وقبل الدراسة الجديدة؛ كانت شبكة “ليب” مجرد نموذج نظري يتم التعامل معه في المحاكاة الحاسوبية أو في أنظمة بصرية اصطناعية.

لكن الاكتشاف الجديد في جامعة كولومبيا غيّر هذا الواقع، إذ أظهرت الدراسة أن التركيب الكيميائي للمادة الجديدة Pd₅AlI₂ يؤدي بشكل غير مباشر إلى تشكيل نمط مداري يشبه شبكة “ليب” تماماً، لكن ليس نتيجة للهندسة البلورية، بل نتيجة تفاعل المدارات الذرية معاً لتكوين نمط يشبه رقعة الشطرنج.

هناك نماذج نظرية عديدة اقترحت إمكانية أن تكون المدارات سبباً في عرقلة حركة الإلكترون الكمومي، لكننا الآن نملك أول دليل مادي ملموس. هذا سيغيّر قواعد اللعبة

أرافيند ديفاراكوندا الفيزيائي التطبيقي في كلية الهندسة بجامعة كولومبيا الأميركية

وبحسب الدراسة المنشورة في دورية “نيتشر فيزيكس” (Nature Physics) فإن تلك المادة أول توثيق علمي لظاهرة تُعرف باسم “عرقلة حركة الإلكترون”، وهي حالة لا تستطيع فيها الإلكترونات الاستقرار في مواقعها بسبب تعارضات داخلية في التوزيع المداري، ما يؤدي إلى سلوكيات جماعية غير مألوفة في عالم الفيزياء.

ويفتح الاكتشاف آفاقاً جديدة لتصميم مواد فائقة التوصيل ومغناطيسات متقدمة دون الحاجة إلى المعادن النادرة، ويعيد النظر في العلاقة بين الكيمياء والفيزياء في بناء المواد المستقبلية.

لطالما عُرفت ظاهرة “عرقلة حركة الإلكترون” في علم الفيزياء بأنها حالة لا تستطيع فيها الجسيمات -مثل الإلكترونات- الوصول إلى حالة استقرار طاقي مع بعضها البعض بسبب قيود في البنية البلورية للمادة، خاصة في الشبكات المثلثية أو المربعة، ويمكن لهذه القيود أن تحاصر الإلكترونات في أوضاع طاقية غير مستقرة، ما يؤدي إلى ظهور سلوكيات جماعية كمومية، مثل الموصلية الفائقة أو الترتيبات المغناطيسية غير التقليدية.

لكن في هذا الاكتشاف الجديد، لم يكن مصدر عرقلة حركة الإلكترون هو الشكل الهندسي للمادة، بل المدارات الذرية نفسها، وهي المناطق التي يُسمح للإلكترونات بأن تتحرك فيها حول أنويتها داخل الذرات.

نطاقات مسطحة

وفي أثناء العمل على دراسة مادة Pd₅AlI₂، لاحظ المؤلف المشارك في الدراسة، أرافيند ديفاراكوندا، الفيزيائي التطبيقي في كلية الهندسة بجامعة كولومبيا الأميركية، ميزة إلكترونية غير عادية تشبه ما يُعرف بـ”نطاقات الطاقة المسطحة” حيث تُجبر الإلكترونات على مشاركة نفس الطاقة، ما يجعلها عرضة لسلوكيات كمومية متطرفة.

ونطاقات الطاقة المسطحة هي مفهوم فيزيائي يتعلق بكيفية توزيع طاقات الإلكترونات داخل مادة صلبة، خصوصاً في المواد ذات البنية البلورية المعقدة أو الخصائص الكمومية.

ولفهمها ببساطة، تخيّل أن نطاقات الطاقة في المواد العادية مثل سلالم تصعد وتنزل كل “درجة” تُمثّل طاقة يمكن للإلكترون أن يتحرك خلالها بسهولة. لكن في النطاق المسطح، لا يوجد صعود أو نزول، فالسلم كله أفقي تماماً.

ويعني هذا أن جميع الإلكترونات الموجودة في هذا النطاق تمتلك الطاقة نفسها بالضبط، وأن الإلكترونات “لا تتحرك” بحرية كما تفعل عادة، بل تصبح محبوسة أو محلية، لكن ورغم هذا التقييد، يمكن أن تظهر سلوكيات جماعية غريبة جداً نتيجة تفاعل الإلكترونات مع بعضها.

وتُعد النطاقات المسطحة هدفاً رئيسياً في علم المواد الكمومية، لأنها غالباً ما تؤدي إلى ظواهر مثل الموصلية الفائقة أو العزل الطوبولوجي. وقد كان يُعتقد أن تحقيق هذه الحالة يتطلب تراكيب بلورية معقدة أو ظروفاً اصطناعية محددة.

ويأمل العلماء أن يمهّد هذا الاكتشاف الطريق نحو ابتكار مواد جديدة ذات خصائص كمومية يمكن التحكم بها، ما يفتح آفاقاً واسعة لتطبيقات تكنولوجية مستقبلية مثل تطوير حساسات دقيقة تستفيد من دوران الإلكترون لرصد التغيرات البيئية، وصناعة مغناطيسات تعمل في درجة حرارة الغرفة دون الحاجة إلى معادن نادرة، بالإضافة إلى تصميم موصلات فائقة الكفاءة في درجات حرارة أعلى من المتاح حالياً.

كما يخطط الباحثون لدمج هذه المادة مع طبقات ثنائية الأبعاد أخرى بهدف ابتكار أجهزة إلكترونية غير مسبوقة. وتكمن ميزة إضافية في قدرة هذه المادة على التقشر إلى طبقة ذرية مع احتفاظها بخواصها المعدنية، ما يجعلها مرشحة مثالية للإلكترونيات المستقبلية فائقة الرقة والكفاءة.

وقال الباحثون إن الدراسة كسرت أحد الحواجز الكلاسيكية بين تخصصَي الفيزياء والكيمياء، حيث أثبت الفريق أن خصائص المدارات -وهي موضوع مركزي في الكيمياء- يمكن أن تفسر سلوكيات كمومية معقدة كانت تُنسب دائماً إلى التراكيب البلورية.

وأضاف ديفاراكوندا: “هناك نماذج نظرية عديدة اقترحت إمكانية أن تكون المدارات سبباً في عرقلة حركة الإلكترون الكمومي، لكننا الآن نملك أول دليل مادي ملموس. هذا سيغيّر قواعد اللعبة”.

وأشار الباحثون إلى أن اكتشاف عرقلة حركة الإلكترون في مادة Pd₅AlI₂ لا يقتصر فقط على كونه كشفاً علمياً مثيراً، بل يُمثّل نقطة انطلاق جديدة نحو عالم من المواد المصممة خصيصاً للتحكم في السلوكيات الكمومية.

ومع التطورات السريعة في مجالات الحوسبة، والذكاء الاصطناعي، والإلكترونيات النانوية، فإن هذه المواد قد تكون العنصر الحاسم في صناعة الجيل القادم من التكنولوجيا الكمومية.

المصدر