تكشف الأبحاث الجديدة أن البعد الرابع لا يحدد فقط البنية ولكن أيضًا الخصائص الطوبولوجية لشبه البلورات، مما يوفر فهمًا أعمق لظاهرة فاز بها البروفيسور دان شيختمان بجائزة نوبل.
في 8 أبريل/نيسان 1982، اكتشف البروفيسور دان شيختمان من معهد التخنيون الظاهرة التي فازت فيما بعد بجائزة نوبل في الكيمياء (2011): البلورة شبه الدائرية. بعد القياس باستخدام المجهر الإلكتروني، بدت المادة الجديدة "فوضوية" عن قرب، ولكن من منظور عين الطائر، كان النظام والتناظر الذي يميزها واضحًا. اعتُبر هذا الشكل من المادة مستحيلاً، واستغرق الأمر سنوات عديدة لإقناع المجتمع العلمي بصحة الاكتشاف. كان أول علماء الفيزياء الذين تمكنوا من شرح الاكتشاف التجريبي من الناحية النظرية هم البروفيسور دوف ليفين، الذي كان حينها طالب دكتوراه في جامعة بنسلفانيا وهو الآن عضو هيئة تدريس في كلية الفيزياء في معهد التخنيون، ومشرفه البروفيسور بول شتاينهاردت.
كانت الفكرة الأساسية التي مكنت من هذا التفسير هي أن شبه البلورات تتصرف بشكل غريب، لأنها في الواقع بلورات عادية - ولكن في بعد أعلى من الأبعاد الثلاثة الموجودة في الواقع. إن شكل البلورة الذي نراه في الواقع ينبع مباشرة من "البلورة" في البعد الأعلى، وهو يشبه ظل جسم ثلاثي الأبعاد يلقي على مستوى. اعتمدت هذه الرؤية على اكتشاف سابق لعالم الرياضيات البريطاني روجر بنروز، الذي حصل لاحقًا على جائزة نوبل (الفيزياء، 3)، وكان يتعلق بإمكانية تبليط المستوى بالكامل باستخدام نوعين فقط من البلاط. تم تسمية هذا الاكتشاف بـ "بلاط بينروز"، وهو الاسم الذي صاغه نيكولاس دي بروين، الذي أوضح أيضًا كيف يستخدم بلاط بينروز في الواقع بلاطة واحدة في بُعد أعلى.
دراسة جديدة نشرت في مجلة SCIENCE
الآن، في مقال في المجلة المرموقة علوم وقد ألقى باحثو معهد التخنيون الضوء على الظواهر المذكورة أعلاه. تم إجراء البحث بواسطة البروفيسور جاي بارتيل من كلية فيتربي للهندسة الكهربائية والحاسوبية في معهد تيشنيون والدكتور شاي تسيس، وهو حاليًا زميل ما بعد الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وقد حصل على الدكتوراه تحت إشراف البروفيسور بارتيل. وشارك في الدراسة زملاؤهم من معهد التخنيون وألمانيا.
في مقالتهم في علوميُظهِر الباحثون أن البلورة رباعية الأبعاد لا تملي الخصائص فحسب الميكانيكا من البلورات شبه الدورية - كما أنها تملي خصائصهاالطوبولوجيات، أي تلك الخصائص التي لا تتغير حتى بعد تشوه المادة (تمددها، التواءها، إلخ).
الطوبولوجيا هي فرع من الرياضيات الذي يدرس الأشكال الهندسية والخصائص التي لا تتغير تحت التشوهات المستمرة. تركز الطوبولوجيا عالية الأبعاد على خصائص الأشياء في أكثر من ثلاثة أبعاد وتشكل أساسًا مهمًا في مجالات مثل الفيزياء وعلوم الكمبيوتر، على سبيل المثال في دراسة بنية الكون وفي تطوير الخوارزميات. من الصعب جدًا أن نتخيل فضاءً رباعي الأبعاد، لأننا اعتدنا على إدراك العالم من حولنا كفضاء ثلاثي الأبعاد، ومن الأصعب قياسه.
إذن كيف يمكنك تأكيد نظرية لا يمكن قياسها؟ وفي بحثهم، استخدم الباحثون تقنية "المجهر الميداني القريب" لقياس أنماط المجال شبه الدورية التي تنتجها الموجات السطحية - وهي موجات شبحية لا يمكن اكتشافها في المجاهر القياسية. ومن خلال التحكم في الموجات السطحية، التي "تعيش" على حافة رقاقة الذهب، أنشأ الباحثون أنماطًا مختلفة، يمثل كل منها بنية رباعية الأبعاد ذات طوبولوجيا مختلفة. وإلى دهشتهم، ورغم أن الأنماط بدت متطابقة تقريبا عند قياسها وكانت خصائصها الطوبولوجية غير قابلة للتمييز، فإن تحليلهم عالي الأبعاد كشف عن الخصائص الطوبولوجية الفريدة لكل منها.
أنماط التداخل شبه الدوري للموجات السطحية الكهرومغناطيسية
قام الباحثون بفحص أنماط التداخل شبه الدوري للموجات السطحية الكهرومغناطيسية واكتشفوا بشكل مفاجئ أنه على الرغم من أن الأنماط تبدو مختلفة، إلا أنه لا يمكن التمييز بينها عن طريق قياس الخصائص الطوبولوجية في بعدين. واكتشفوا أن التمييز بين الأنماط لم يكن ممكنًا إلا بناءً على البلورة الأصلية رباعية الأبعاد. هذه هي الملاحظة الأولى في التاريخ لطوبولوجيا رباعية الأبعاد تحدث بشكل طبيعي في نظام فيزيائي، وذلك بعد اكتشافات مماثلة في المصفوفات الهندسية (الموجهات الموجية والشبكات الذرية الباردة المتحكم فيها).
اكتشف الباحثون ظاهرة أخرى: نمطان مختلفان طوبولوجيًا للموجات السطحية يبدوان متماثلين تمامًا إذا تم قياسهما في فارق زمني معين. كان هذا الفارق الزمني قصيرًا جدًا وتم قياسه بوحدة الأتو ثانية - جزء من مليار من مليار جزء من الثانية. تشرح النظرية الأصلية التي وضعها ليفين وشتاينهاردت وبير بيك هذه الظاهرة على أنها نوع من "المنافسة" بين الخصائص الطوبولوجية للبلورات وخصائصها الحرارية (الطاقة).
تم الحصول على النتائج باستخدام طريقتين - المجهر الضوئي الماسح قريب المدى، الذي أجراه الدكتور كوبي كوهين في مختبر جاي بارتيل، والمجهر الإلكتروني (المجهر الإلكتروني للانبعاث الضوئي ثنائي الفوتون)، والذي تم قياسه بالتعاون بين جامعة شتوتغارت وجامعة دويسبورغ-إيسن في ألمانيا. تفتح الاكتشافات المقدمة في المقالة طريقًا جديدًا لقياس الخصائص الحرارية الديناميكية للبلورات شبه الدورية، وفي الواقع، في المستقبل القريب، يعتزم الباحثون توسيع نتائجهم إلى أنظمة فيزيائية إضافية والبحث بشكل أعمق في دراسة التفاعل بين الخصائص الحرارية الديناميكية والطوبولوجية. ويقدرون أنه بهذه الطريقة سيكون من الممكن اكتشاف هياكل معمارية جديدة لتشفير المعلومات ونقلها وفك تشفيرها.
تم دعم البحث من قبل المفوضية الأوروبية للأبحاث (ERC)، ومؤسسة العلوم الألمانية (DFG)، ووزارة التعليم والبحث الفيدرالية الألمانية (BMBF)، ومؤسسة BW، ومؤسسة Carl-Zeiss، ومعهد راسل بيري لتكنولوجيا النانو في معهد تيشنيون (RBNI)، ومركز هيلين ديلر الكمومي في معهد تيشنيون (HDQC)، ومركز سارة وموشيه زيسافيل للإلكترونيات النانوية في معهد تيشنيون (MNFU).
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
تعليقات 4
لم أفهم الكثير. وحاولت.
بإمكاننا أن نبذل جهدًا أكبر لجعل العلم في متناول عامة الناس.
ماذا تعلمنا هذه الاكتشافات عن وجود البعد الرابع؟ فهل هذا يثبت وجوده ميتافيزيقيا؟ هل هو بعد مكاني؟
أحد أسوأ الكتب العلمية التي قرأتها على الإطلاق. لا يمكن فهم أي شيء من الشرح والتسلسل المنطقي أو من المقال.
ولدي دكتوراه في الهندسة.
السؤال هو ما إذا كانت الملاحظة تنبع فعليا من البعد الرابع أو من معلمة أثناء التجربة.
دان شيختمان أستاذ في كلية علوم وهندسة المواد، وهو يشعر بالحزن إزاء نقص المعلومات وتشويه سمعة المهنة.