فيزيائيو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) كانوا يخزون مادة كمومية بأشعة الليزر، وما وجدوه هو أن الإلكترونات يمكنها إعادة تنظيم نفسها بطريقتين مختلفتين تمامًا - واحدة ناعمة مثل تبخر الماء، والأخرى متكتلة مثل تجمد الجليد. الدراسة، المنشورة في Nature Physics، تلقي الضوء على كيفية تعايش مراحل إلكترونية متعددة في نفس المادة، مما قد يساعدنا يومًا ما في بناء أجهزة كمومية أفضل، وربما، كما تعلم، استبدال السيليكون.

"يعتقد الناس أن حجر الزاوية لاستبدال السيليكون يكمن في المواد الكمومية التي تحتوي على مراحل متعددة متعايشة،" يقول المؤلف المشارك ألفريد زونغ، دكتوراه '20، وهو الآن أستاذ مساعد في جامعة ستانفورد. "تجربتنا توفر طريقة أنيقة جدًا لدراسة هذه المراحل المتعددة."

الباحثون، بقيادة نوه غيديك، أستاذ الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، قاموا بالتحقيق في إربيوم تريتلورايد، وهي مادة أرضية نادرة ذات موقف إلكتروني جاد. في الظروف العادية، تكون الإلكترونات موزعة بالتساوي، لكن عند تبريدها تبدأ في تشكيل ترتيب متموج يسمى موجة كثافة الشحنة (CDW). وعند تبريدها أكثر، تظهر موجة ثانية عمودية على الأولى، مما يخلق رقعة شطرنج على المستوى الذري تجعل أي بطل شطرنج يشعر بالغيرة.

تمكن الفريق من فصل المرحلتين ومشاهدة كيفية تشكل كل منهما. المرحلة الأولى، "المهيمنة"، تظهر تدريجيًا عبر المادة، مثل تحول الماء إلى بخار. أما المرحلة الثانية، "شبه المهيمنة"، فتبدأ في جيوب معزولة وتتوسع إلى الخارج، تمامًا مثل تشكل بلورات الثلج في مشروبك. هذا الاختلاف هو المفتاح: الأولى هي انتقال من الدرجة الثانية نصي، بينما الثانية هي انتقال من الدرجة الأولى، وهذا مفاجئ.

"الآلية المسؤولة عن ظهور هذه المرحلة الثانية كانت محل نقاش طويل، ونهجنا يوفر طريقة جديدة قوية لكشف الفيزياء الخفية وراء التحولات الطورية في المواد الكمومية،" يقول غيديك.

كانت التجربة روتينًا كلاسيكيًا من "الهز والاستماع". قام الفريق بتبريد عينات رقيقة ذريًا من إربيوم تريتلورايد إلى حوالي -230 درجة مئوية، ثم صعقوها بنبضتي ليزر. النبضة الأولى "هزت" النظام، مما كسر رقعة الشطرنج الإلكترونية، والثانية أخذت لقطات لكيفية تعافي الإلكترونات بمرور الوقت. الموجة المهيمنة ارتدت بسلاسة بغض النظر عن مدى قوة ضربهم لها، لكن الموجة شبه المهيمنة نمت من بذور متناثرة، مثل تشكل بلورات الثلج في الماء فائق التبريد.

هذا السلوك لم يكن متوقعًا، وأخيرًا يحدد الآلية المتنازع عليها منذ فترة طويلة وراء مرحلة CDW الثانية. وعلى الرغم من أن إربيوم تريتلورايد رائع بحد ذاته، فإن الجائزة الحقيقية هي فهم مواد أكثر تعقيدًا مثل الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية، حيث تتعايش وتتفاعل مراحل متعددة (المغناطيسية، الموصلية الفائقة، موجات كثافة الشحنة).

"في أنظمة أكثر تعقيدًا بكثير، مثل الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية، ترى أن هناك مراحل متعددة - مغناطيسية، موصلية فائقة، موجات كثافة شحنة، وكلها موجودة معًا،" يقول غيديك. "إحدى النظريات هي أن طريقة تفاعلها مع بعضها البعض هي المفتاح لخصائصها الغريبة. الدروس التي نتعلمها هنا يمكن تطبيقها على مواد أكثر تعقيدًا بكثير."

دعم البحث وزارة الطاقة الأمريكية، ومؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية، ومنحة مبادرة EPiQS من مؤسسة غوردون وبيتي مور. المواد مقدمة من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. كتبته جينيفر تشو. ملاحظة: قد يتم تحرير المحتوى من حيث الأسلوب والطول.