إن الجزيء البارد والغريب والقصير الذي تم إنشاؤه في تجربة في معهد وايزمان للعلوم بعد اصطدام بين الجزيئات قد يسلط الضوء على التفاعلات الكيميائية في درجات حرارة منخفضة للغاية
مثل الكرات في لعبة البلياردو، فإن اصطدام جزيئين ببعضهما البعض عادة ما يطيران في اتجاهين متعاكسين. لكن في تجربة حديثة في معهد وايزمان للعلوم، أظهرت الجسيمات المتصادمة حركة أكثر ملاءمة لحلبة الرقص من طاولة البلياردو: الاثنان - أحدهما ذرة والآخر أيون، أي ذرة ذات شحنة كهربائية - اقتربوا وابتعدوا عن بعضهم البعض بالتناوب، كما لو كانوا في خطوات رقص متكررة، ويتصرفون كما لو كانوا متصلين بنابض طويل مرئي لا ينضب. تقول طالبة الدكتوراه ميراف بانكاس: "لقد تم الكشف عن هذا الكوريغرافيا الغريبة بالفعل في النماذج التي بنيناها على الكمبيوتر استعدادًا للتجربة، لكننا اقتنعنا بأنها ظاهرة حقيقية، فقط بعد أن رأيناها "بأعيننا"". ، منقاد البحث في مختبر البروفيسور روي أوزيري في قسم فيزياء الأنظمة المعقدة.
ويوضح بانكاس أن الهدف الأصلي للبحث كان ملاحظة التأثيرات الكمومية الجديدة، أي الظواهر الفيزيائية التي لا تخضع لقوانين الفيزياء الكلاسيكية. لقد تم بالفعل تخصيص العديد من الدراسات للتأثيرات الكمومية الناتجة عن اصطدام الجسيمات في الظروف شديدة البرودة، لكن هذه التجارب تركز في الغالب على الذرات بشكل منفصل أو الأيونات بشكل منفصل، وليس كليهما معًا، لأن هذه مهمة صعبة بشكل خاص من الناحية الفنية منظر. ومن ناحية أخرى، فإن مختبر البروفيسور أوزاري مستعد جيدًا للتعامل مع هذا التحدي بالتحديد، في ضوء خبرته الممتدة لسنوات عديدة في دراسة الذرات والأيونات في درجات حرارة منخفضة للغاية.
خطط بانكاس والأعضاء الآخرون في المجموعة - الدكتور أور كاتز، ويوناتان فينجروفيتس، والدكتور نيتسان أكرمان - لإجراء تجربة عند درجة حرارة أقل من 1 ملي كلفن أو جزء من الألف من الدرجة فوق درجة حرارة الصفر المطلق. قد يبدو الأمر غريبًا، للوصول إلى مثل هذه الظروف الباردة، يستخدمون أشعة الليزر التي تضرب الذرات أو الأيونات وتجمدها في مكانها. وكجزء من الإعداد التجريبي الحالي، قاموا بتبريد أيون من معدن السترونتيوم، واحتجازه في مصيدة أيونية وتعريضه لتيار مكون من حوالي نصف مليون ذرة روبيديوم، والتي قاموا أيضًا بتبريدها بالليزر مسبقًا. وعندما اصطدم الأيون بإحدى الذرات، ساعد شعاع ليزر آخر في رسم نتائج الحدث.
كلما كان النظام التجريبي أكثر برودة، زادت فرصة ملاحظة التأثيرات الكمومية. على سبيل المثال، تبلغ العتبة الكمومية للنظام الذي أنشأه العلماء حوالي عُشر مليون من الدرجة فوق الصفر المطلق. لكن في التجربة الحالية، تم تسجيل النتائج المدهشة حتى قبل أن يصل النظام إلى العتبة الكمومية، أي عندما كان لا يزال "دافئًا" نسبيًا - جزء من المليون من الدرجة فوق الصفر المطلق، وحتى أكثر سخونة - جزء من الألف من الدرجة فوق الصفر المطلق - بعد استخدام المصيدة الأيونية. على الرغم من أن هذه الظروف كانت شديدة الحرارة بحيث لا يمكن ملاحظة التأثيرات الكمومية، إلا أن الفيزياء الكلاسيكية قدمت المفاجأة هذه المرة: يمكن تفسير الرقصة الغريبة للأيون والذرة بشكل كامل باستخدام قوانين نيوتن. يقول بانكاس: "لقد شرعنا في البحث عن الظواهر الكمومية ووجدنا ظاهرة مذهلة في الفيزياء الكلاسيكية".
كيمياء الكم
لقد أدرك العلماء أن شيئًا غير عادي كان يحدث عندما نظروا إلى الخاصية الكمومية التي تسمى الدوران. لقد رأوا أنه بعد اصطدام الجزيئات، تغير دوران أيون السترونتيوم بطريقة يمكن استنتاج أنها ظلت مرتبطة بطريقة ما بذرة الروبيديوم. ولم يدركوا إلا لاحقًا أن تصادم الجزيئات أدى في الواقع إلى تكوين نوع من الجزيء؛ وعلى الرغم من أنه لم يكن جزيئًا مستقرًا مع مرور الوقت وكانت مكوناته متباعدة جدًا، إلا أنه مع ذلك تصرف مثل الجزيء.
"لقد كان الأمر غريبًا جدًا لأن الجزيئين اللذين ينتجان جزيئًا معًا يفقدان بعضًا من طاقتهما في هذه العملية. ولكن في نظامنا، يبدو أن الطاقة الزائدة ليس لها مكان تذهب إليه، لذلك لم يكن من المفترض أن يتشكل أي جزيء،" يشرح بينكاس حجم الجزيء. من المفاجأة. "وفي النهاية وجدنا التفسير: الطاقة الزائدة تم امتصاصها في مصيدة الأيونات، وهذا بالضبط ما منع مسارات الذرة والأيون من الانفصال. وإذا عدنا إلى طاولة البلياردو، فكأنما سوف تنحني حواف الطاولة للأعلى لفترة من الوقت، مما يخلق نوعًا من الوعاء الذي يمنع الكرات من التحرك بعيدًا عن بعضها البعض.
ولفحص جزيء السترونتيوم-الروبيديوم الذي صنعوه، استخدم العلماء أدوات كمومية. واكتشفوا أن تغيير قوة المجال المغناطيسي في مصيدة الأيونات يغير دوران الجزيئات ويجعل من الممكن فحص تأثير هذه الخاصية على تكوين الجزيء. قد تتيح هذه الاختبارات فهم ليس فقط كيفية تكوين الجزيء، ولكن أيضًا كيفية تحلله. يقول بانكاس: "نريد تحقيق أكبر قدر ممكن من التحكم الدقيق في الظاهرة الفريدة التي اكتشفناها". قد يساهم هذا التحكم، على سبيل المثال، في دراسة كيمياء الكم، بما في ذلك التفاعلات الكيميائية التي تحدث في الفضاء بين النجوم في ظل ظروف شديدة البرودة. في الواقع، على غرار الإعداد التجريبي في الدراسة، فإن التفاعل الكيميائي الأكثر شيوعًا في الفضاء بين النجوم هو تكوين الأيونات الجزيئية نتيجة الاصطدامات بين الذرات والأيونات.
يقول البروفيسور أوزيري: "هذه هي الاتجاهات التي يمكننا أن نتخيلها اليوم، ولكن جمال الاكتشافات المدهشة هو أنها قد تقودنا إلى مناطق جديدة تمامًا بطرق لا يمكننا حتى أن نتخيلها الآن".
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
