في عالمنا اليوم، نعرف 3 حالات تقليدية للمادة، وهي الصلبة التي لها شكل ثابت، مثل الجليد أو المعادن، والسائلة التي تتدفق بحرية، مثل الماء، والغازية مثل الهواء، الذي ينتشر لملء أي فراغ.
وهناك كذلك حالات مثل البلازما، والتي توجد في الشمس، وتتكون من جسيمات مشحونة كهربائيا.
مادة فائقة الصلابة
لكن في عالم الفيزياء الكمومية، تظهر حالات أغرب، مثلا يمكن أن تجمع “المادة فائقة الصلابة” بين خصائص الصلب والسائل معا.
هذه المادة، يمكنها أن تتصرف مثل الصلب والسائل في نفس الوقت، هذه هي المادة فائقة الصلابة، وهي حالة كمومية غريبة من المادة تمتلك بنية صلبة مثل البلورة، لكنها في نفس الوقت تتدفق بسلاسة مثل السائل من دون أي احتكاك.
تخيل صفّا من قطرات الماء يمكنه أن يتحرك بسلاسة، لكن المسافة بين القطرات لا تتغير أبدا، هذا شيء مستحيل في عالمنا العادي، لكنه ممكن في العالم الكمومي.
ويقول عالم الفيزياء الذرية والبصرية، إياكوبو كاروسوتو، من جامعة ترينتو في إيطاليا في تصريح رسمي حصلت الجزيرة نت على نسخة منه: “هذه القطرات قادرة على التدفق عبر عائق من دون التعرض لاضطرابات، مع الحفاظ على ترتيبها المكاني ومسافتها المتبادلة من دون تغيير كما يحدث في المواد الصلبة البلورية”.
وفي إنجاز علمي مذهل، تمكن علماء إيطاليون من تحويل الضوء نفسه إلى مادة فائقة الصلابة، ويمكن أن يؤدي هذا الاكتشاف إلى تطورات كبيرة في الفيزياء الكمومية والتقنيات المستقبلية.
ولم تكن المواد الصلبة الفائقة تُصنع سابقا إلا من الذرات، لكن الفريق الذي يقوده علماء من المجلس الوطني للبحوث في إيطاليا نجح الآن في صنع مادة صلبة فائقة باستخدام الفوتونات لأول مرة.
الضوء وحركاته
الضوء هو طاقة نقية، وليس مادة، لذلك فهو لا يتصرف عادة مثل الصلب أو السائل، لكن العلماء استخدموا حيلة فيزيائية ذكية لجعل الضوء يتصرف مثل المادة، بحسب الدراسة التي نشرت في الدورية المرموقة “نيتشر”.
الخطوة الأولى كانت جعل الضوء “يلتصق” بالمادة، وحتى يصبح الضوء أقرب إلى المادة، يجب دمجه مع جسيمات مادية. وللقيام بذلك، استخدم العلماء حزمة ضوئية مركزة (ليزر) وتم توجيهها على مادة خاصة تُعرف باسم زرنيخيد الغاليوم، وهو مركب من عناصر الغاليوم والزرنيخ.
عند اصطدام الضوء بالمادة، بدأ بالتفاعل مع الإلكترونات داخل المادة، مما أدى إلى ظهور جسيمات شبه مادية تُسمى البولاريتونات، وللتقريب يمكن تصور أنها جسيمات “هجينة” جزء من الضوء وجزء من المادة.
واصطلاح “شبه مادية” يشير إلى نوع غير معتاد من المادة يسميه العلماء أشباه الجسيمات، ولفهم الفكرة تخيل أنك تلعب مع أصدقائك في حوض سباحة، وعندما تحرك يدك في الماء، ترى تموجات صغيرة تتحرك عبر سطح الماء، هذه التموجات ليست أشياء مادية بحد ذاتها، لكنها تتصرف كأنها كائنات مستقلة تتحرك عبر الماء.
وبنفس الطريقة، تكون أشباه الجسيمات، فهي ظواهر تحدث داخل المواد الصلبة، حيث تتحرك الطاقة أو الاضطرابات بطريقة تجعلها تبدو كأنها جسيمات حقيقية، رغم أنها ليست جسيمات مستقلة مثل الإلكترونات أو البروتونات.
تطبيقات واعدة
وللتأكد من نجاح التجربة، أجرى العلماء بعض الاختبارات المهمة مثل قياس كثافة المادة الناتجة ووجدوا أنها تتوزع في شكل قمتين كبيرتين مع فجوة بينهما، وهو دليل على وجود مادة فائقة الصلابة، كما استخدموا تقنيات أخرى لقياس الحالة الكمومية للنظام، ووجدوا أن الترتيب الكمومي بقي ثابتا عبر النظام بأكمله، وهذا يؤكد أن المادة كانت بالفعل فائقة الصلابة.
ويُمثل هذا الابتكار الحديث تقدما كبيرا في فيزياء الكم، حيث يفتح تحويل الضوء إلى حالة صلبة فائقة آفاقا لتقنيات ضوئية جديدة، مثل أجهزة الليزر والأجهزة البصرية من الجيل التالي ذات الأداء المُحسّن والوظائف الجديدة، كما يمكن أن يساعد ذلك على استكشاف أعمق لطبيعة المادة والضوء في العالم الكمومي.
إلى جانب ذلك، تتميز المواد الصلبة الفائقة بخصائص كمية فريدة يُمكن تسخيرها لتطوير “كيوبتات” أكثر استقرارا وكفاءة، وهي الوحدات الأساسية للحواسيب الكمومية.
ويمكن للمواد فائقة الصلابة كذلك أن تساعد في تطوير أجهزة قياس دقيقة، حيث إن حساسية المواد الصلبة الفائقة للمحفزات الخارجية تجعلها مثاليةً لإنشاء مستشعرات عالية الدقة، ويمكن لهذه المستشعرات أن تُحدث ثورة في المجالات التي تتطلب قياسات دقيقة، بما في ذلك الفيزياء الفلكية وتكنولوجيا النانو.