وبعد عام من التجربة والخطأ، تمكن ليانج تشن من تحويل سلك معدني إلى شريط مجهري يبلغ عرضه نصف عرض السلك. القولونية بكتيريا - رقيقة بما يكفي للسماح بمرور تيار كهربائي ضئيل. كان تشين يأمل أن تساعد قطرات هذا التيار في حل اللغز المستمر حول كيفية تحرك الشحنة عبر فئة محيرة من المواد المعروفة باسم المعادن الغريبة.

قام تشين، الذي كان آنذاك طالب دراسات عليا، ومعاونوه في جامعة رايس بقياس التيار المتدفق عبر شريط المعدن الذي يبلغ سمكه ذرات. ووجدوا أنه يتدفق بسلاسة وبشكل متساوٍ. وفي الواقع، فقد تحدى المفهوم القياسي للفيزيائيين عن الكهرباء في المعادن.

من الناحية القانونية، ينشأ التيار الكهربائي من الحركة الجماعية للإلكترونات، التي يحمل كل منها قطعة واحدة غير قابلة للتجزئة من الشحنة الكهربائية. لكن الثبات الميت لتيار تشين يشير ضمنا إلى أنه لم يكن مصنوعا من وحدات على الإطلاق. كان الأمر أشبه بالعثور على سائل يفتقر بطريقة أو بأخرى إلى جزيئات يمكن التعرف عليها بشكل فردي.

على الرغم من أن هذا قد يبدو غريبًا، إلا أنه بالضبط ما توقعه بعض الفيزيائيين من المعدن الذي اختبرته المجموعة، والذي أذهلت وأذهلت الفيزيائيين منذ الثمانينيات مع أقاربها غير العاديين. قال: "إنها قطعة عمل جميلة جدًا". سوبير ساشديف، عالم فيزياء نظرية بجامعة هارفارد متخصص في المعادن الغريبة.

الملاحظة، ذكرت الأسبوع الماضي في مجلة علوم، هي واحدة من أكثر المؤشرات وضوحًا حتى الآن على أن أي شيء يحمل تيارًا عبر هذه المعادن غير العادية لا يشبه الإلكترونات على الإطلاق. وتعزز التجربة الجديدة الشكوك حول ظهور ظاهرة كمومية جديدة داخل معادن غريبة. كما أنه يوفر أيضًا مادة جديدة لعلماء الفيزياء النظرية الذين يحاولون فهم ما قد يكون عليه الأمر. 

قال: "معادن غريبة، لا أحد لديه أي فكرة عن مصدرها". بيتر أبامونتي، فيزيائي في جامعة إلينوي، أوربانا شامبين. "لقد كان هذا يعتبر إزعاجًا، لكننا ندرك الآن أنها مرحلة مختلفة حقًا من المادة التي تعيش في هذه الأشياء."

وجع كوبراتي

جاء التحدي الأول للفهم التقليدي للمعادن في عام 1986، عندما هز جورج بيدنورز وكارل أليكس مولر عالم الفيزياء باكتشافهما الموصلات الفائقة عالية الحرارة - وهي مواد تحمل تيارًا كهربائيًا بشكل مثالي حتى في درجات الحرارة الدافئة نسبيًا. فالمعادن المألوفة مثل القصدير والزئبق تصبح موصلات فائقة فقط عندما يتم تبريدها إلى درجات قليلة من الصفر المطلق. قام بيدنورز ومولر بقياس المقاومة الكهربائية في مادة ذات أساس نحاسي ("النحاس") ولاحظا أنها اختفت عند درجة حرارة معتدلة نسبيًا تبلغ 35 كلفن. (لاكتشافهما المذهل، حصل بيدنورز ومولر على جائزة نوبل بعد عام واحد فقط).

وسرعان ما أدرك الفيزيائيون أن الموصلية الفائقة في درجات الحرارة المرتفعة كانت مجرد بداية السلوك الغامض للنحاسات.

أصبحت النحاسات غريبة حقًا عندما توقفت عن التوصيل الفائق وبدأت في المقاومة. مع ارتفاع درجة حرارة جميع المعادن، تزداد المقاومة. تعني درجات الحرارة الأكثر دفئًا أن الذرات والإلكترونات تهتز بشكل أكبر، مما يؤدي إلى مزيد من الاصطدامات المسببة للمقاومة حيث تنقل الإلكترونات التيار عبر المادة. في المعادن العادية، مثل النيكل، ترتفع المقاومة بشكل تربيعي عند درجات حرارة منخفضة - ببطء في البداية، ثم بشكل أسرع فأسرع. لكن في النحاسات، ارتفعت بشكل خطي: ​​كل درجة من الاحترار جلبت نفس الزيادة في المقاومة - وهو نمط غريب استمر على مدى مئات الدرجات، ومن حيث الغرابة، طغى على قدرة المادة على التوصيل الفائق. كانت النحاسات هي أغرب المعادن التي شاهدها الباحثون على الإطلاق.

وقال "الموصلية الفائقة هي الفأر". أندريه تشوبوكوف، عالم فيزياء نظرية في جامعة مينيسوتا. "الفيل... هو هذا السلوك المعدني الغريب."

إن الارتفاع الخطي في المقاومة يهدد التفسير الشهير لكيفية تحرك الشحنة الكهربائية عبر المعادن. وضعت نظرية "سائل فيرمي" التي وضعها ليف لانداو في عام 1956، الإلكترونات في مركز كل شيء. وقد استندت إلى نظريات سابقة، تفترض، من أجل التبسيط، أن الإلكترونات تحمل تيارًا كهربائيًا، وأن الإلكترونات تتحرك عبر المعدن مثل الغاز؛ فهي تتنقل بحرية بين الذرات دون التفاعل مع بعضها البعض.

أضاف لانداو طريقة للتعامل مع الحقيقة الحاسمة والمعقدة المتمثلة في تفاعل الإلكترونات. وهي مشحونة سلبا، مما يعني أنها تتنافر باستمرار. وبالنظر إلى هذا التفاعل بين الجسيمات، فقد حوّل غاز الإلكترون إلى ما يشبه المحيط - والآن، عندما يتحرك إلكترون واحد عبر سائل الإلكترونات، فإنه يزعج الإلكترونات القريبة. من خلال سلسلة معقدة من التفاعلات التي تنطوي على التنافر المتبادل، انتهى الأمر بهذه الإلكترونات المتفاعلة بلطف بالسفر في حشود - في كتل تعرف باسم أشباه الجسيمات.

كانت معجزة نظرية فيرمي السائلة هي أن كل شبه جسيم يتصرف تقريبًا كما لو كان إلكترونًا أساسيًا واحدًا. ومع ذلك، كان أحد الاختلافات الرئيسية هو أن هذه النقط تتحرك بشكل أبطأ أو أكثر رشاقة (اعتمادًا على المادة) من الإلكترون المجرد، وتتصرف بشكل أثقل أو أخف. الآن، فقط من خلال تعديل حدود الكتلة في معادلاتهم، يمكن للفيزيائيين الاستمرار في التعامل مع التيار على أنه حركة الإلكترونات، فقط مع علامة النجمة التي تحدد أن كل إلكترون هو في الواقع كتلة شبه جسيمية.

كان الانتصار الرئيسي لإطار لانداو هو أنه في المعادن العادية، نجح في إثبات الطريقة المعقدة التي ترتفع بها المقاومة بشكل تربيعي مع درجة الحرارة. أصبحت أشباه الجسيمات الشبيهة بالإلكترون هي الطريقة القياسية لفهم المعادن. قال ساشديف: "إنها موجودة في كل الكتب المدرسية".

لكن في الكوبرتات، فشلت نظرية لانداو بشكل كبير. ارتفعت المقاومة في خط نقي بدلاً من المنحنى التربيعي القياسي. لقد فسر الفيزيائيون هذا الخط منذ فترة طويلة على أنه إشارة إلى أن النحاسات هي موطن لظاهرة فيزيائية جديدة.

قال: "عليك أن تصدق أن الطبيعة إما تعطيك فكرة أو أن الطبيعة قاسية بشكل لا يصدق". غريغوري بوبينغر، عالم فيزياء في جامعة ولاية فلوريدا، قضى معظم حياته المهنية في دراسة الاستجابة الخطية للكوبرات. "إن وضع مثل هذا التوقيع البسيط والمخادع بشكل رهيب وعدم أهميته ماديًا سيكون أمرًا أكثر من اللازم."

وكانت الكوباتس مجرد البداية. وقد اكتشف الباحثون منذ ذلك الحين أ مضيف مواد متباينة مع نفس المقاومة الخطية المغرية، بما في ذلك "أملاح Bechgaard" العضوية وصفائح الجرافين المنحرفة. ومع تكاثر هذه "المعادن الغريبة"، تساءل العلماء عن سبب انهيار نظرية لانداو للسوائل فيرمي في كل هذه المواد المختلفة. وقد اشتبه البعض في أن السبب في ذلك هو عدم وجود أشباه جسيمات على الإطلاق؛ كانت الإلكترونات تنظم نفسها بطريقة ما بطريقة جديدة وغريبة تحجب أي شخصية فردية، مثلما تضيع الطبيعة المنفصلة للعنب في زجاجة من النبيذ.

وقال أبامونتي: "إنها مرحلة من المادة حيث لا يكون للإلكترون هوية حقيقية". «ومع ذلك، [المعدن الغريب] معدن؛ إنه يحمل التيار بطريقة ما.

لكن المرء لا يلغي الإلكترونات ببساطة. بالنسبة لبعض العلماء، يعتبر التيار الكهربائي المستمر – الذي لا ينقسم إلى إلكترونات – جذريًا للغاية. و بعض التجارب المعدنية الغريبة الاستمرار في مطابقة تنبؤات معينة لنظرية لانداو. دفع الجدل المستمر مستشار أطروحة تشين إلى: دوغلاس ناتلسون من جامعة رايس مع زميله Qimiao سيللنظر في كيفية إجراء فحص مباشر لتشريح الشحنة التي تتحرك عبر معدن غريب.

"ما الذي يمكنني قياسه والذي سيخبرني بالفعل بما يحدث؟" تساءل ناتلسون.

تشريح الكهرباء

وكان هدف الفريق هو تشريح التيار في معدن غريب. هل جاءت على شكل قطع شحن بحجم الإلكترون؟ هل جاءت في قطع على الإطلاق؟ لمعرفة ذلك، استلهموا طريقة كلاسيكية لقياس التقلبات في التدفق - "ضوضاء الطلقة" - وهي ظاهرة يمكن فهمها إذا فكرنا في الطرق التي قد يهطل بها المطر أثناء عاصفة ممطرة.

تخيل أنك تجلس في سيارتك، وتعرف من خلال توقعات الطقس الموثوقة أن 5 ملم من الأمطار ستهطل خلال الساعة القادمة. تلك الـ 5 ملليمترات تشبه التيار الكهربائي الإجمالي. إذا تم تقسيم هذا المطر إلى حفنة من القطرات العملاقة، فإن التباين في وقت سقوط تلك القطرات على سطح منزلك سيكون مرتفعًا؛ في بعض الأحيان سوف تتناثر القطرات من الخلف إلى الخلف، وفي أحيان أخرى سوف تكون متباعدة. في هذه الحالة، يكون صوت اللقطة مرتفعًا. ولكن إذا تم توزيع نفس 5 ملليمتر من المطر في ضباب مستمر من قطرات صغيرة، فإن التباين في وقت الوصول - وبالتالي ضجيج اللقطة - سيكون منخفضًا. سوف يقوم الضباب بسلاسة بتوصيل نفس الكمية من الماء تقريبًا من لحظة إلى أخرى. بهذه الطريقة، يكشف ضجيج اللقطة حجم القطرات.

وقال ناتلسون: "مجرد قياس معدل ظهور المياه لا يخبرك بالصورة الكاملة". "قياس التقلبات [في هذا المعدل] يخبرك بالكثير."

وبالمثل، فإن الاستماع إلى طقطقة التيار الكهربائي يمكن أن يخبرك عن أجزاء الشحنة التي يتكون منها. هذه القطع عادة ما تكون أشباه جسيمات لانداو الشبيهة بالإلكترون. في الواقع، يعد تسجيل ضجيج الطلقة في معدن عادي طريقة شائعة لقياس الشحنة الأساسية للإلكترون — 1.6 × 10^-19 كولوم.

للوصول إلى قلب تيار معدن غريب، أراد الفريق قياس ضجيج الطلقات. لكن ضجيج الطلقات الإلكترونية يمكن حجبه إذا تم دفع الإلكترونات بواسطة التموجات في الشبكة الذرية للمعدن. ولتجنب هذا التشويش، يرسل الباحثون تيارًا عبر أسلاك قصيرة جدًا بحيث لا يكون للتموجات وقت للتأثير على الإلكترونات. يجب أن تكون هذه الأسلاك نانوية الحجم.

اختارت المجموعة العمل بمعدن غريب معين مصنوع من الإيتربيوم والروديوم والسيليكون لأن المتعاون منذ فترة طويلة بين ناتيلسون وسي، سيلك بوهلر باشن من جامعة فيينا للتكنولوجيا، توصل إلى كيفية إنتاج المادة في أفلام يبلغ سمكها عشرات النانومترات فقط. لقد اهتم ذلك ببعد مكاني واحد.

بعد ذلك، كان على تشين أن يتوصل إلى كيفية أخذ هذه الأفلام وصنع سلك يبلغ طوله وعرضه نانومترًا واحدًا فقط.

على مدار عام تقريبًا، اختبر تشين طرقًا مختلفة لتقليص حجم المعدن عن طريق صقله بالذرات بشكل فعال. ولكن في تجربة تلو الأخرى، وجد أن الأسلاك النانوية الناتجة عانت من أضرار ذرية أدت إلى تدمير المقاومة الخطية المميزة لهذا المعدن الغريب. وبعد عشرات المحاولات، توصل إلى عملية ناجحة: حيث قام بطلاء المعدن بالكروم، واستخدم تيارًا من غاز الأرجون لتفجير كل المعدن الغريب المحمي بالكروم باستثناء خط رفيع، ثم نزع الكروم بحمام. من حمض الهيدروكلوريك.

وفي النهاية، نجح تشين في الحصول على درجة الدكتوراه في الربيع، ثم ذهب للعمل في مجال التمويل، وصنع مجموعة من الأسلاك النانوية التي لا تشوبها شائبة تقريبًا. وكان طول كل منها حوالي 600 نانومتر وعرضها 200 نانومتر، أي أضيق بحوالي 50 مرة من خلية الدم الحمراء.

وبعد تبريدها إلى درجة حرارة شديدة البرودة تصل إلى درجة كلفن، مرر الباحثون تيارًا كهربائيًا عبر الأسلاك المعدنية الغريبة. كما قاموا بتمرير التيار عبر أسلاك نانوية مصنوعة من الذهب العادي. يفرقع التيار في السلك الذهبي بالطريقة المألوفة التي تفعلها التيارات المصنوعة من أشباه الجسيمات المشحونة، مثل قطرات المطر الدهنية المتناثرة على سطح السيارة. لكن في المعدن الغريب، كان التيار ينساب بهدوء عبر السلك النانوي، وهو تأثير يشبه هسهسة الضباب الصامتة تقريبًا. التفسير الأكثر وضوحًا للتجربة هو أن الشحنة الموجودة في هذا المعدن الغريب لا تتدفق في قطع بحجم الإلكترون.

وقال سي: "توفر البيانات التجريبية دليلاً قوياً على فقدان أشباه الجسيمات في المعدن الغريب".

ومع ذلك، ليس كل الفيزيائيين مقتنعين تمامًا بأن التجربة تقتل أشباه جسيمات لانداو. وقال "إنه ادعاء جريء للغاية". براد رامشو، عالم فيزياء في جامعة كورنيل. "لذلك أنت بحاجة إلى بيانات جريئة."

أحد قيود التجربة هو أن المجموعة اختبرت مادة واحدة فقط. فقط لأن ضجيج الطلقة منخفض في مزيج الإيتربيوم والروديوم والسيليكون الذي ابتكره تشن، فإن هذا لا يضمن أنه منخفض في المعادن الغريبة الأخرى. ويمكن دائمًا إرجاع الشذوذ الذي يحدث لمرة واحدة إلى بعض التفاصيل غير المفهومة حول تلك المادة.

وأشار رامشو أيضًا إلى أن المعادن ترن بكل أنواعها اهتزازات غريبة قد يؤدي ذلك إلى تشويه ضوضاء اللقطة في التيار. استبعد تشين وزملاؤه التداخل من الاهتزازات الأكثر شيوعًا، لكن من المحتمل أن بعض التموجات الغريبة قد أفلتت من ملاحظتهم.

ومع ذلك، يجد رامشو أن التجربة مقنعة. وقال: "إنه حافز قوي للناس لمحاولة القيام بأشياء أخرى لمعرفة ما إذا كانت متوافقة أيضًا مع عدم وجود إلكترونات".

إذا لم تكن الإلكترونات، فماذا إذن؟

إذا استمرت صورة شبه الجسيم في الانهيار، فما الذي يمكن أن يحل محلها؟ كيف يتحرك التيار حول معادن غريبة إن لم يكن في طرود شحنة تشبه الإلكترون؟ ليس من السهل وصف هذا الوضع، ناهيك عن وضعه في مصطلحات رياضية دقيقة. قال ناتلسون: "ما هي المفردات الصحيحة التي يجب استخدامها، إذا كنت لن تتحدث عن أشباه الجسيمات؟"

عند الإلحاح، يجيب الفيزيائيون على هذا السؤال بمجموعة من الاستعارات لما يظهر عندما تختفي الإلكترونات الفردية: تندمج في حساء كمي متشابك؛ يتجمدون ويتحولون إلى هلام. إنهم يشكلون فوضى رغوية من الشحنات تتجول. فيليب فيليبس أوربانا شامبين يشبه إلكترونات المعدن الغريب بالمطاط الموجود في الإطار. عندما يخرج المطاط من الشجرة، تصطف جزيئاته في خيوط فردية. لكن أثناء عملية الفلكنة، تتحول هذه الخيوط إلى شبكة متينة. مادة جديدة تنبثق من مجموعة الأفراد. وقال: "إنك تحصل على شيء أكبر من مجموع أجزائه". "الإلكترونات نفسها ليس لها نزاهة."

لتجاوز الأوصاف الغامضة للنشوء، يحتاج الفيزيائيون إلى وصف رياضي دقيق، وهو نظرية سائل فيرمي غير المكتشفة بعد للمعادن الغريبة. ساعد ساشديف في تطوير مرشح مبسط واحد، وهو نموذج SYK، في أوائل التسعينيات. لقد نجحت في فهم المقاومة الخطية بشكل صحيح، لكن لم يكن لها أي علاقة على الإطلاق بالمواد الحقيقية المصنوعة من شبكة حقيقية من الذرات. لسبب واحد، لم يكن هناك مساحة. تقع جميع الإلكترونات في نقطة واحدة حيث تتفاعل بشكل عشوائي وتتشابك مع جميع الإلكترونات الأخرى.

على مدى العامين الماضيين، ساشديف، افيشكار باتيل من معهد فلاتيرون، والمتعاونون معهم يعملون على ذلك جلب الفضاء إلى نموذج SYK. إنهم ينشرون تفاعلات الإلكترون عبر الفضاء من خلال النظر في تأثيرات العيوب في الشبكة الذرية، وهي البقع التي اختفت فيها الذرات أو ظهرت ذرات إضافية. يتسبب غبار العيوب الذرية في حدوث اختلافات عشوائية في كيفية تفاعل أزواج الإلكترونات وتشابكها. يتمتع النسيج الناتج من الإلكترونات المتشابكة بمقاومة متزايدة خطيًا، وهي السمة المميزة لمعدن غريب. لقد استخدموا مؤخرًا إطارهم لحساب ضجيج الطلقة أيضًا. لا تتطابق الأرقام تمامًا مع ملاحظات تشين، لكنها تشكل نفس النمط النوعي. وقال ساشديف: "كل الاتجاهات صحيحة".

ويؤكد باحثون آخرون أن الوضع النظري لا يزال مائعًا - فليس من الواضح للبعض ما إذا كانت المواد المتميزة عن بعضها البعض، مثل صفائح الجرافين والموصلات الفائقة النحاسية، يمكن أن تشترك جميعًا في قائمة مماثلة من العيوب لإنتاج خصائص المعدن الغريب المشتركة في المادة. الطريقة التي تتطلبها نظرية ساشديف وباتيل. وتكثر النظريات البديلة. فيليبس، على سبيل المثال، يشتبه في أن هناك حاجة إلى معادن غريبة شكل ناشئ من الكهرومغناطيسية التي لا تعتمد على الإلكترونات الكاملة. في هذه الأثناء، أمضى سي وبوهلر باشن ما يقرب من 20 عامًا تطوير واستكشاف a نظرية لكيفية ذوبان أشباه الجسيمات عندما يجلس النظام في "النقطة الحرجة الكمومية"، حيث تتصارع حالتان ميكانيكيتان كميتان مختلفتان من أجل اليد العليا. وفي تجربة طلقة الضجيج، أوصلوا أسلاكهم النانوية إلى هذه النقطة الحرجة.

في حين أن الفيزيائيين لم يتفقوا بعد على سبب ظهور الشحنات الكهربائية وكأنها تذوب داخل معادن غريبة، أو حتى إذا كانت تذوب بالفعل، فإنهم مصممون على اكتشاف ذلك.

قال ناتلسون: "إذا كنا نعتقد حقًا أن هناك فئة كاملة من المعادن لا نفهمها، فمن المهم أن نفهمها".

ملاحظة المحرر: يتم تمويل معهد فلاتيرون من قبل مؤسسة سيمونز، التي تمول أيضًا هذه المجلة المستقلة تحريريًا. ليس لمعهد فلاتيرون ولا مؤسسة سيمونز أي تأثير على تغطيتنا. مزيد من المعلومات المتاحة هنا.

كوانتا تجري سلسلة من الدراسات الاستقصائية لخدمة جمهورنا بشكل أفضل. خذ خاصتنا مسح قارئ الفيزياء وسيتم إدخالك للفوز مجانا كوانتا بضائع.