علماء فيزياء يبتكرون حالة كمومية جديدة: بحر فيرمي الكسري

كشف علماء فيزياء عن شكل غريب جديد من السلوك الكمومي تنظم فيه الجسيمات نفسها بطرق تتحدى النظريات الراسخة. والمثير للدهشة أن هذه الجسيمات تحافظ على نظام خفي رغم وجودها في حالة عالية الطاقة للغاية.

في دراسة نُشرت في Physical Review Letters، يصف باحثون بقيادة Hanns-Christoph Nägerl، بالتعاون مع Alvise Bastianello من CNRS وجامعة Université Paris-Dauphine، كيفية هندسة حالة كمومية غريبة تُعرف باسم ‘بحر فيرمي الكسري’.

يتضمن هذا الإنجاز دفع ذرات السيزيوم فائقة البرودة إلى ما هو أبعد من ظروفها الطبيعية عبر تغيير تفاعلاتها. وبدلاً من أن تصبح غير منتظمة، تعيد الجسيمات ترتيب نفسها في تهيئة تتصرف بشكل مختلف عن الأنظمة الكمومية التقليدية.

دفع الجسيمات الكمومية إلى ما هو أبعد من حدودها الطبيعية

في الظروف العادية، تتبع الجسيمات الكمومية قواعد راسخة للترتيب، خاصة عند درجات الحرارة المنخفضة. فلا يمكن للفيرميونات، مثل الإلكترونات، أن تشغل الحالة الكمومية نفسها، وتملأ مستويات الطاقة وفق قيود محددة، مما يؤدي إلى ما يسميه الفيزيائيون بحر فيرمي.

بحث الباحثون فيما يحدث عندما تتعطل هذه الظروف. وأشار Alvise Bastianello قائلاً: “تتراكم الفيرميونات بأناقة في حالات الطاقة المتاحة لتشكل ما يُسمى ‘بحر فيرمي’. لكن ماذا لو أجبر المرء الذرات المتفاعلة على المرور بظروف قصوى، متنقلة من التنافر إلى التجاذب؟”

درس الفريق ذرات السيزيوم فائقة البرودة المحصورة في نظام أحادي البعد، مما أتاح تحكماً استثنائياً في تفاعلاتها الكمومية. وعَدّلوا التفاعلات بين هذه الذرات، بالتنقل بين تنافر قوي وتجاذب.

كشفت حساباتهم أنه انطلاقاً من الحالة الأرضية، يمكن دفع الذرات إلى حالة عالية الإثارة مع احتفاظها بتنظيمها الأساسي. وتُسمى هذه التهيئة غير العادية بحر فيرمي الكسري، حيث تخضع الجسيمات لقاعدة معدلة لشغل الحالات الكمومية.

وقال Yi Zeng، المؤلف الرئيسي للدراسة: “بدلاً من تسخين النظام ببساطة، تعيد دورة التفاعل تنظيم الذرات في حالة جديدة متعددة الأجسام”.

حالة كمومية جديدة غريبة بنظام خفي

من السمات المثيرة للاهتمام في بحر فيرمي الكسري أن جسيماته تبقى منظمة رغم ابتعادها عن التوازن. فالأنظمة المدفوعة بعيداً عن التوازن يمكن أن تتصرف بشكل غير متوقع، ومع ذلك يُظهر بحر فيرمي الكسري أنماطاً رياضية مميزة تشير إلى بنية أعمق.

من بين هذه الأنماط تذبذبات Friedel، وهي تغيرات شبيهة بالموجات مرتبطة بتفاعلات الجسيمات الكمومية. كما لاحظ الباحثون ارتباطات غير عادية بين الجسيمات تضعف مع المسافة، حتى في ظل تفاعلات تنافر ضعيفة. وتختلف هذه النتائج عن تنبؤات نظرية Tomonaga-Luttinger liquid، مما يشير إلى نوع جديد من السلوك الكمومي.

وقال Nägerl: “هذه الحالة عالية الإثارة، لكنها ليست عشوائية. لديها نظام خفي يصبح مرئياً في ارتباطاتها”. ويثير هذا السلوك أسئلة حول الجسيمات الفعالة التي تنشأ، وتُسمى الجسيمات شبه الأولية، والتي تتصرف كجسيمات فردية رغم نشوئها من العديد من الجسيمات المتفاعلة. واقترح Nägerl أن تُسمى هذه الإثارات “فيرميونات فائقة”.

فتح آفاق جديدة في الفيزياء الكمومية

يشير الاكتشاف إلى أن بحار فيرمي الكسرية تمثل طوراً غريباً من المادة الكمومية، مع أنماط ارتباط الجسيمات تمتد إلى ما هو أبعد من الأوصاف الحالية. ويُبرز قوة المحاكاة الكمومية، مما يسمح للعلماء باستخدام أنظمة كمومية مُتحكم بها لاستكشاف سلوكيات فيزيائية يصعب دراستها بخلاف ذلك.

تُعد الذرات فائقة البرودة مفيدة بشكل خاص لأن الباحثين يمكنهم ضبط التفاعلات بدقة ومراقبة التغيرات في الحالات الكمومية. ويتيح هذا البحث استكشاف حالات مُهندسة تكشف إمكانيات جديدة تتجاوز النظريات الراسخة.

وكما صرّح Nägerl: “يُظهر اكتشاف بحار فيرمي الكسرية إلى أي مدى يمكننا دفع المحاكاة الكمومية: ليس فقط إعادة إنتاج نماذج معروفة، بل إنشاء وفحص حالات تتجاوز النماذج الراسخة”. ويؤسس المنشور الحالي الإطار النظري لبحار فيرمي الكسرية، مع دراسة مرافقة حول تحقيقها التجريبي قيد مراجعة الأقران. ويشير هذا البحث معاً إلى طرق جديدة لاستقصاء السلوك الأساسي للمادة الكمومية والإثارات غير العادية التي تنشأ عندما تُدفع الجسيمات إلى ما هو أبعد من الظروف الطبيعية.

المصدر: ScienceDaily