علماء فيزياء يبتكرون "بحر فيرمي الكسري"، لأن بحار فيرمي العادية كانت على ما يبدو مملة للغاية

لقد فعلها علماء الفيزياء مرة أخرى: اكتشفوا حالة كمومية جديدة تبدو منطقية تمامًا على الورق ولا معنى لها على الإطلاق في دماغ الشخص العادي. في دراسة نُشرت في مجلة Physical Review Letters، وصف باحثون بقيادة هانز-كريستوف نيغيرل، بالتعاون مع الفيزيائي النظري ألفيزي باستيانيلو من المركز الوطني للبحث العلمي وجامعة باريس-دوفين، كيفية هندسة حالة كمومية غريبة تُعرف باسم "بحر فيرمي الكسري". الاسم وحده يبدو وكأنه طبق مأكولات بحرية مرفوض، لكن الفيزياء غريبة حقًا.

يتضمن الاختراق دفع ذرات السيزيوم فائقة البرودة إلى ما هو أبعد بكثير من ظروفها الطبيعية عبر تغيير مدى قوة تجاذبها أو تنافرها بشكل متكرر. فبدلاً من أن تصبح غير منتظمة ببساطة - وهو ما يفعله معظمنا تحت الضغط المتكرر - تعيد الجسيمات ترتيب نفسها في تشكيل غير عادي يتصرف بشكل مختلف عن الأنظمة الكمومية التي درسها العلماء تقليديًا. توفر النتائج النظرية الأساس للأبحاث التجريبية الحديثة التي أجراها فريق نيغيرل في قسم الفيزياء التجريبية.

في الظروف العادية، تتبع الجسيمات الكمومية قواعد راسخة تحدد كيفية ترتيب نفسها، خاصة عند درجات الحرارة المنخفضة للغاية. ومن الأمثلة المهمة على ذلك الفرميونات، وهي فئة من الجسيمات تشمل الإلكترونات. لا يمكن لهذه الجسيمات أن تشغل جميعها الحالة الكمومية نفسها، لذا تملأ مستويات الطاقة المتاحة وفقًا لقيود محددة. عند درجات حرارة منخفضة جدًا، ينتج عن هذا الترتيب ما يسميه الفيزيائيون بحر فيرمي. إنه منظم، ويمكن التنبؤ به، و- لنكن صادقين - ممل قليلاً.

لكن ماذا يحدث عندما يعطل الباحثون عمدًا الظروف التي تحكم عادة سلوك الجسيمات؟ يشرح ألفيزي باستيانيلو: "الفرميونات، على سبيل المثال، تتراكم بشكل أنيق في حالات الطاقة المتاحة لتشكل ما يسمى 'بحر فيرمي'. لكن ماذا يحدث إذا أجبرنا الذرات المتفاعلة على الدوران المستمر عبر ظروف قصوى، ونقلها بسلاسة من التنافر الشديد إلى التجاذب الشديد؟" إنه المكافئ الكمومي للسؤال عما يحدث إذا واصلت قلب المفتاح على مصباح صغير جدًا ومشوش جدًا.

للتحقيق في هذا الاحتمال، درس الباحثون ذرات السيزيوم فائقة البرودة المحصورة في نظام أحادي البعد. وهذا يعني أن الذرات مقيدة بالتحرك في اتجاه واحد فقط، مما يخلق بيئة يمكن فيها دراسة تفاعلاتها الكمومية بتحكم استثنائي. فحص الفريق ما يحدث عندما يتم تعديل التفاعلات بين هذه الذرات بشكل متكرر، بالتناوب بين التنافر القوي والتجاذب.

كشفت حساباتهم عن شيء غير متوقع. بدءًا من الحالة الأرضية، وهي أقل تكوين طاقة متاح للنظام، يمكن دفع الذرات إلى حالة عالية الإثارة دون فقدان تنظيمها الأساسي. يسمي الباحثون هذا الترتيب غير العادي بحر فيرمي الكسري لأن جسيماته تبدو وكأنها تخضع لقاعدة معدلة تحكم كيفية شغل الحالات الكمومية.

يقول يي زنغ، المؤلف الرئيسي لهذه الدراسة: "بدلاً من تسخين النظام ببساطة، تعيد دورة التفاعل تنظيم الذرات في حالة متعددة الأجسام جديدة. وهذا يمنحنا طريقة خاضعة للتحكم لاستكشاف المادة الكمومية خارج النماذج التقليدية للتوازن". بعبارة أخرى، هزوا لوحة الرسم الكمومية وحصلوا على تحفة فنية بدلاً من فوضى.

واحدة من أكثر السمات إثارة للاهتمام في بحر فيرمي الكسري هي أن جسيماته تظل منظمة حتى بعد دفع النظام بعيدًا عن التوازن. في الفيزياء، يصف التوازن حالة استقرت فيها الخصائص العامة للنظام في توازن مستقر. الأنظمة التي تُدفع بعيدًا عن التوازن يمكن أن تتصرف بطرق معقدة وغير متوقعة، مما يجعل فهمها صعبًا بشكل خاص. ومع ذلك، فإن بحر فيرمي الكسري ليس مجرد مجموعة من الجسيمات المثارة تتصرف بشكل عشوائي. بدلاً من ذلك، فإنه يحتوي على أنماط رياضية مميزة تكشف عن أعمق