حقق العلماء تقدمًا كبيرًا في أبحاث الكم من خلال إثبات أن الجسيمات النانوية يمكن أن تُظهر تذبذبات دورانية كمية حتى في درجة حرارة الغرفة - دون تبريدها إلى ما يقرب من الصفر المطلق.
حقق العلماء تقدمًا كبيرًا في أبحاث الكم من خلال إثبات أن الجسيمات النانوية يمكن أن تُظهر تذبذبات دورانية كمية حتى في درجة حرارة الغرفة - دون تبريدها إلى ما يقرب من الصفر المطلق.
باستخدام جسيم نانوي بيضاوي الشكل، محصور في مجال كهرومغناطيسي، استُخدمت ليزرات ومرايا مُعايرة بعناية لتفريغ الطاقة من حركته الدورانية حتى وصل إلى حالة شبه كمومية نقية. والمثير للدهشة أن الجسيم نفسه ظل ساخنًا - عند درجة حرارة مئات الدرجات - لكن دورانه المغزلي كان "متجمدًا" بالمعنى الكمومي.
استكشاف حدود الفيزياء الكمومية
ما هي حدود فيزياء الكم؟ يستكشف العلماء حول العالم هذا السؤال منذ عقود. ولتسخير الظواهر الكمومية في التكنولوجيا، من الضروري معرفة ما إذا كان السلوك الكمي ممكنًا ليس فقط في الذرات والجزيئات، بل أيضًا في الأجسام الأكبر منها بكثير.
مثال على ذلك كرات زجاجية مجهرية يبلغ قطرها حوالي 100 نانومتر. على الرغم من أن كل كرة أكبر بألف مرة من حبة الرمل، إلا أنها تُعتبر "كبيرة" على المستوى الكمي. لسنوات، حاول الباحثون معرفة ما إذا كانت جسيمات بهذا الحجم قادرة على الحفاظ على خصائصها الكمومية. والآن، يُعلن فريق من المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ، بالتعاون مع باحثين نظريين من جامعة فيينا للتكنولوجيا (فيينا)، عن اكتشاف مهم: إثبات أن التقلبات الدورانية لهذه الجسيمات تخضع لقواعد الكم، ليس فقط عند تبريدها إلى ما يقارب الصفر المطلق باستخدام تقنيات معقدة للغاية، ولكن أيضًا في درجة حرارة الغرفة.
كميات الاهتزاز: فقط بعض الاهتزازات ممكنة
يقول كارلوس غونزاليس-باييستيرو، من معهد الفيزياء النظرية بجامعة فيينا للتكنولوجيا: "يتذبذب الجسيم المجهري قليلًا دائمًا. ويعتمد هذا التذبذب على درجة الحرارة وتأثير البيئة على الجسيم".
في الحياة اليومية، يبدو أي تذبذب ممكنًا. على سبيل المثال، يمكن لبندول الساعة أن يتأرجح بأي زاوية وبشدات مختلفة. أما في عالم الكم، فالأمر مختلف: فعند الطاقات المنخفضة، تظهر التذبذبات في حزم طاقة منفصلة - "كمّات التذبذب".
هناك أدنى حالة اهتزازية - الحالة الأرضية - تليها حالة ذات طاقة أعلى بقليل - حالة الإثارة الأولى، وهكذا. لا توجد حالات "بينية"، ولكن يمكن للجسيم أن يكون في حالة تراكب - توليفة كمومية - من عدة حالات اهتزازية في الوقت نفسه، وهو مبدأ أساسي في ميكانيكا الكم.
يضيف غونزاليس-باليستيرو: "من الصعب جدًا الوصول بجسيم نانوي إلى حالة تبرز فيها خصائصه الكمومية. يجب 'تعويمه' لعزله قدر الإمكان عن الاضطرابات. وعادةً ما يتطلب الأمر درجات حرارة منخفضة للغاية، قريبة من الصفر المطلق (-273.15 درجة مئوية)".
عوازل الدوران الكمومي في جسيم ساخن
الآن، قامت الجامعة الفيدرالية السويسرية للتكنولوجيا في زيورخ والجامعة التقنية في فيينا بتطوير طريقة تسمح بإدخال جانب معين من الجسيم النانوي إلى حالة كمية - على الرغم من أن الجسيم بأكمله في حالة ساخنة وفوضوية.
يوضح غونزاليس-باليستيرو: "نستخدم جسيمًا نانويًا ليس كرويًا تمامًا، بل بيضاويًا بعض الشيء". "عند وضعه في مجال كهرومغناطيسي، يبدأ بالدوران. تساءلنا: هل يمكننا ملاحظة الخصائص الكمومية لتذبذب الدوران؟ هل يمكننا استخلاص الطاقة من حركة الدوران حتى يصل غالبًا إلى الحالة القاعدية الكمومية؟"
لتحقيق ذلك، استُخدمت أشعة ليزر ومجموعة من المرايا. يقول: "يمكن لليزر إما إضافة طاقة إلى الجسيم أو طرحها منه". ويضيف: "بمحاذاة المرايا بشكل صحيح، يمكن ضمان ارتفاع احتمالية إزالة الطاقة وانخفاض احتمالية إضافتها. بهذه الطريقة، تنخفض طاقة الدوران حتى نقترب من الحالة الأرضية الكمومية". ولتحقيق ذلك، من الضروري حل مسائل نظرية معقدة، وتحديدًا فهم الضوضاء الكمومية لليزر والتحكم فيها بشكل صحيح.
"خلق حالة من النقاء الكمي دون تبريد"
في النهاية، نجح الباحثون في إيصال الدوران إلى حالة تُطابق تمامًا حالة الأرض الكمومية. والمثير للدهشة أن الجسيم النانوي نفسه ليس مُبرَّدًا، بل على العكس، فهو ساخن جدًا، مئات الدرجات.
يوضح غونزاليس-باليستيرو: "يجب التمييز بين درجات الحرية المختلفة. بهذه الطريقة، يُمكن تقليل طاقة الحركة الدورانية بفعالية، دون تقليل الطاقة الحرارية الداخلية للجسيم في الوقت نفسه. ومن المثير للدهشة أن الدوران قد "يتجمد"، إن صح التعبير، حتى لو كان الجسيم ساخنًا."
هذا يُنشئ حالةً "أنقى" من الناحية الكمومية مما تم تحقيقه سابقًا باستخدام جسيمات مماثلة، دون الحاجة إلى تبريد. ويخلص غونزاليس-باليستيرو إلى القول: "هذه طريقة عملية بشكلٍ مدهش لدفع حدود فيزياء الكم إلى أقصى حدودها. يُمكننا الآن دراسة الخصائص الكمومية للأجسام بطريقة مستقرة وموثوقة، وهو أمرٌ كان شبه مستحيل في السابق".
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
تعليقات 4
توفير هائل في الطاقة المستهلكة في التبريد إلى ما يقرب من الصفر المطلق.
الرد على هذه المقالة: رائع…
الرد على المقال حول اندماج الجنسين البشري:
كم دام اليوم السادس من الخلق؟ لا أعلم. ولكن من المؤكد أنه قد يكون ترجمةً حرفيةً لآية "وخلق الرب الإله الإنسان من تراب الأرض..." (سفر التكوين، الإصحاح الثاني، الآية 7). وكما فسر راشي: "تراب الأرض - جمع ترابها من كل الأرض من الرياح الأربع..." (تعليق راشي على الآية أعلاه).
ما هي الآثار العملية التي ستترتب على ذلك؟
ومن الأمثلة على ذلك الكرات الزجاجية المجهرية التي يبلغ قطرها حوالي 100 نانومتر. ورغم أن كل كرة أكبر بألف مرة من حبة الرمل، إلا أنها تُعتبر "كبيرة" على المستوى الكمي.
أكبر ألف مرة أم أصغر ألف مرة؟