ظهور مادة صلبة فائقة الدوران في مغناطيس كمي مضاد - عالم الفيزياء

أعاد نشره أفلاطون

المتابعون: 0

شكل يوضح عملية التبريد الأديباتية للمواد الصلبة الفائقة المغزلية، مقارنة بالتبريد البارامغناطيسي — يوضح الشكل عملية التبريد الأدياباتي للمواد الصلبة الفائقة الدوران، مقارنة بالتبريد البارامغناطيسي، مما يسلط الضوء على الميزات الفريدة لتبريد المواد الصلبة الفائقة الدورانية. يتم أيضًا تضمين هيكل الشبكة المثلثية والأجهزة التجريبية (مع مركبات NBCP) لقياسات السعرات الحرارية المغناطيسية الأدياباتيكية في الملحقات الداخلية. (مجاملة: دبليو لي)

اكتشف باحثون في الصين وفرنسا وأستراليا دليلاً جديدًا على حالة كمومية غريبة للمادة تُسمى بالصلبة الفائقة الدورانية. يمثل هذا الاكتشاف، الذي تم في مادة مضادة للمغناطيسية ذات بنية شبكية ذرية مثلثة، طفرة في الفيزياء الأساسية وقد يساعد أيضًا في تطوير تقنيات تبريد جديدة لا تتطلب الهيليوم السائل، حيث تظهر المادة أيضًا تأثيرًا حراريًا مغناطيسيًا عملاقًا.

كما يوحي اسمها، فإن المواد الصلبة الفائقة هي مواد تتدفق دون احتكاك (مثل السوائل الفائقة) على الرغم من أن جزيئاتها مرتبة في شبكة بلورية (مثل المواد الصلبة). على هذا النحو، تكسر هذه المواد تماثلين متواصلين: الثبات الانتقالي، بسبب الترتيب البلوري؛ وقياس التماثل، وذلك بسبب تدفق المواد بدون احتكاك.

توقع المنظرون في ستينيات القرن الماضي أن المواد الصلبة الفائقة يجب أن توجد في المواد الصلبة الكمومية مع ما يسمى بالشواغر البوسونية المتنقلة، أي الفجوات التي تُترك عندما تتحرك الذرات ذات قيم دوران صحيحة عبر الشبكة البلورية. ابتداءً من الثمانينات، ركزت الأبحاث التجريبية على التلميحات التي تشير إلى أن الصلابة الفائقة قد تحدث في سائل الهيليوم-1960 الفائق. وفي عام 1980، قدم علماء الفيزياء في جامعة ولاية بنسلفانيا في الولايات المتحدة أدلة على الصلابة الفائقة في هذه المادة. ومع ذلك، مزيد من التحقيق من قبل نفس الباحثين وكشف أنهم كانوا مخطئين، ويمكن أن تكون ملاحظاتهم وأوضح بطرق أخرى.

تجارب أكثر حداثة لقد أظهر أن الغازات الكمومية ثنائية القطب المتطايرة في اتجاه واحد يمكن أن تمر بمرحلة انتقالية من مكثف بوز-آينشتاين العادي (BEC) إلى حالة ذات خصائص فائقة الصلابة. تتمتع الذرات الموجودة في الغازات ثنائية القطب بعزم مغناطيسي كبير، والتفاعلات بينها هي التي تؤدي إلى الصلابة الفائقة في هذه الأنظمة.

طبقات من الأدلة

الباحثون بقيادة قانغ سو في جامعة الأكاديمية الصينية للعلوم (CAS) يقولون الآن في بكين أنهم عثروا على التناظرية المغناطيسية الكمومية للمادة فائقة الصلابة في مغناطيس مضاد تم تصنيعه مؤخرًا بالصيغة الكيميائية Na₂باكو(ص₄)₂. يُظهر هذا المركب، المعروف باسم NBCP، أيضًا تأثيرًا مغناطيسيًا حراريًا عملاقًا، مما يعني أنه يسخن ويبرد بشكل كبير عند تطبيق مجال مغناطيسي خارجي وإزالته.

سو وزملاؤه وي لي ل معهد الفيزياء النظرية، CAS; جونسن شيانغ و بيجي صن من معهد الفيزياء، CAS، و وينتاو جين at جامعة بيهانغ أجروا قياساتهم الحرارية المغناطيسية عند درجات حرارة أقل من 1 كلفن. وقد ساعد التوافق الممتاز بين بياناتهم التجريبية والحسابات النظرية لتحولات الطور الكمومي فائق الصلابة في إقناعهم بأنهم كانوا يراقبون جسمًا فائق الصلابة جديدًا.

وجاء مزيد من التأكيد من الأدلة المجهرية التي حصلوا عليها من خلال إجراء تجارب حيود النيوترونات على عينات عالية الجودة من NBCP في معهد لاو لانجفين في فرنسا و المنظمة الأسترالية للعلوم والتكنولوجيا النووية. يقول سو: "لقد كشفت قمم الحيود عن ترتيب ثلاثي الشبكات الفرعية داخل المستوى، وترتيب متين، وعدم قابلية للقياس في الاتجاه خارج المستوى". "يمكن أن يكون الأخير مرتبطًا بوجود أنماط غولدستون الخالية من الثغرات (شكل من أشكال كسر التناظر في البوزونات) وبالتالي يدعم وجود سيولة فائقة في المركب."

حالة كمومية جديدة للمادة وآلية تبريد جديدة

اختار فريق CAS دراسة NBCP لأنه يظهر تقلبات دورانية قوية منخفضة الطاقة، مما يشير إلى حالة سائلة كمومية محتملة. وهو أيضًا مغناطيس مضاد، مما يعني أنه على عكس المغناطيسات الحديدية التقليدية، التي لها دوران إلكترون متوازي، فإن دوران الإلكترون الخاص بها يميل إلى محاذاة عكس التوازي مع بعضها البعض. يؤدي عدم المحاذاة هذا إلى تفاعلات قوية بين الدورات.

بعد أن اقترح أحد أعضاء الفريق احتمال وجود مادة صلبة مغزلية فائقة في NBCP، سأل لي وجانغ زملائهم التجريبيين شيانغ وجين وصن إذا كان من الممكن البحث عن حالات دوران كمي جديدة في المجمع. يتذكر لي قائلاً: "لقد فعلوا ذلك ولاحظوا الحالة الكمومية الجديدة للمادة، وهي الحالة الصلبة الفائقة الدوران".

بالإضافة إلى الكشف عن حالة كمومية جديدة للمادة، يمكن أن يؤدي هذا الاكتشاف أيضًا إلى طرق تبريد جديدة خالية من الهيليوم بدرجة كلفن. ويقول لي إن هذه المجالات مطلوبة بشدة في علوم المواد، وتكنولوجيا الكم، وتطبيقات الفضاء، من بين أمور أخرى عالم الفيزياء.

تدخل الصلابة الفائقة بعدًا ثانيًا

يوضح لي أن هناك حاليًا طريقتين رئيسيتين لتبريد المواد إلى درجات حرارة قليلة بالكلفن. الأول هو استخدام الهيليوم، الذي يصبح سائلًا عند درجات حرارة أقل من 4.15 كلفن. والثاني هو استغلال التأثير الحراري المغناطيسي، حيث تتغير درجة حرارة بعض المواد تحت تأثير المجال المغناطيسي المطبق. كلتا التقنيتين لهما عيوبهما: الهيليوم نادر وبالتالي باهظ الثمن، في حين أن الفئة الخاصة من المركبات المستخدمة للتبريد الحراري المغناطيسي (المعروفة باسم الأملاح البارامغناطيسية المائية) لها كثافة إنتروبيا مغناطيسية منخفضة، واستقرار كيميائي ضعيف، وموصلية حرارية منخفضة. ومع ذلك، يدعي لي أن التأثير الكالوري المغناطيسي العملاق في المادة الصلبة الفائقة الدوران المكتشفة حديثًا يمكن أن "يتغلب بشكل فعال على هذه العيوب" من خلال استغلال إثارات الدوران الجماعية عند الطاقات المنخفضة.

ابحث عن مواد صلبة فائقة الدوران أخرى

يحاول الباحثون الآن الحصول على دليل ديناميكي إضافي حول الصلابة الفائقة الدورانية في NBCP. ولتحقيق هذه الغاية، يقول جين إنهم يقومون بإجراء قياسات تشتت النيوترونات غير المرنة للتحقيق في أنماط غولدستون المرتبطة بترتيب دوران السوائل الفائقة. ويخططون أيضًا لإجراء تجارب حيود النيوترونات المستقطبة لتعزيز النتائج التي توصلوا إليها.

أخيرًا، يقوم الفريق بدراسة مركبات شبكية مثلثية أخرى في محاولة لتحديد حالات الدوران الفائقة الصلابة الإضافية أو غيرها من حالات الدوران الغريبة. يقول سو: "من خلال القيام بذلك، نأمل أن نفهم بشكل أفضل الظواهر الفيزيائية الأساسية التي تؤدي إلى هذه المراحل الكمومية المثيرة للاهتمام للمادة".

دراستهم الحالية مفصلة في الطبيعة.