يلتقط الفيزيائيون أول صورة على الإطلاق لبلورة الإلكترون

عادة ما تُرى الإلكترونات وهي ترفرف حول ذراتها، لكن فريق من الفيزيائيين قام الآن بتصوير الجسيمات في حالة مختلفة تمامًا: تقع معًا في مرحلة كمومية تسمى بلورة فيجنر، بدون نواة في قلبها.

تمت تسمية المرحلة على اسم يوجين فيجنر، الذي تنبأت في عام 1934 أن الإلكترونات تتبلور في الشبكة عندما تكون بعض التفاعلات بينها قوية بما فيه الكفاية. استخدم الفريق الأخير الفحص المجهري النفقي عالي الدقة لتصوير البلورة المتوقعة مباشرةً؛ أبحاثهم هي نشرت هذا الاسبوع في الطبيعة.

يقول علي يزداني، عالم الفيزياء في جامعة برينستون وباحث في الفيزياء بجامعة برينستون: “إن بلورة فيجنر هي واحدة من أروع المراحل الكمومية التي تم التنبؤ بها للمادة، وهي موضوع العديد من الدراسات التي تزعم أنها وجدت، في أحسن الأحوال، دليلاً غير مباشر على تكوينها”. كبير مؤلفي الدراسة في إحدى الجامعات يطلق.

يتم تنافر الإلكترونات بشكل متبادل: فهي تحب الابتعاد عن بعضها البعض. في السبعينيات، قام فريق من مختبرات بيل خلق بلورة الإلكترون عن طريق رش الجسيمات على الهيليوم، ولاحظوا أن الإلكترونات تتصرف مثل البلورة. لكن تلك التجربة ظلت عالقة في المجال الكلاسيكي. أنتجت التجربة الأخيرة “بلورة فيجنر الحقيقية”، وفقًا للفريق، لأن الإلكترونات الموجودة في الشبكة كانت تعمل كموجة وليس كجزيئات فردية ملتصقة ببعضها البعض.

افترض ويجنر أن هذه المرحلة الكمومية للإلكترونات ستحدث بسبب التنافر المتبادل بين الجسيمات، وليس على الرغم منها. لكن ذلك لن يحدث إلا في درجات حرارة شديدة البرودة وفي ظروف منخفضة الكثافة. في التجربة الجديدة، وضع الفريق إلكترونات بين ورقتين من الجرافين تم تنظيفهما بشكل كامل من عيوب المواد. ثم قاموا بتبريد العينات وتطبيق مجال مغناطيسي عمودي عليها. أعلى قوة للمجال المغناطيسي كانت 13.95 تسلا، وأدنى درجة حرارة كانت 210 ملي كلفن. إن وضع الإلكترونات في مجال مغناطيسي يؤدي إلى تقييد حركتها بشكل أكبر، مما يزيد من فرص تبلورها.

قال مينهاو هي، الباحث في جامعة برينستون والمؤلف الأول المشارك للورقة البحثية، في نفس الإصدار: “هناك تنافر متأصل بين الإلكترونات”. “إنهم يريدون دفع بعضهم البعض بعيدًا، لكن في هذه الأثناء، لا يمكن للإلكترونات أن تكون متباعدة إلى ما لا نهاية بسبب الكثافة المحدودة. والنتيجة هي أنها تشكل بنية شبكية منتظمة ومنتظمة، حيث يشغل كل إلكترون موضعي قدرًا معينًا من المساحة.

تفاجأ الفريق بأن بلورة فيجنر ظلت مستقرة على مدى أطول من المتوقع. ومع ذلك، عند الكثافات الأعلى، أفسح الطور البلوري المجال لـ سائل الإلكترون. بعد ذلك، يأمل الباحثون في تصوير كيف تفسح مرحلة بلورة فيجنر المجال لأطوار أخرى من الإلكترونات تحت المجال المغناطيسي.

هذه أيام مثيرة لدراسة المواد الغريبة، من فحص الصوت الثاني للحرارة ل بلورات الزمن التي تستمر لفترة أطول أكثر مما سبق. ومن خلال فحص المادة في أطرافها، سيتمكن الفيزيائيون من فهم الأشياء التي يتكون منها كوننا والقوانين الغامضة التي يطيعونها بشكل أفضل.

أكثر: أخيرًا لاحظ الفيزيائيون حالة غريبة للمادة تم التنبؤ بها لأول مرة في عام 1973