في عام 1956، قام ديفيد باينز بصياغة الشبح. وتنبأ بوجود بحار من التموجات الكهربائية التي يمكن أن تحيد بعضها البعض، مما يجعل المحيط بأكمله بلا حراك حتى مع انحسار وتدفق الأمواج الفردية. الشذوذ، الذي أصبح يُعرف باسم شيطان باينز، سيكون محايدًا كهربائيًا، وبالتالي غير مرئي للضوء - وهو تعريف يصعب اكتشافه.

على مر العقود، تمكن الفيزيائيون من إلقاء نظرة خاطفة على المتغيرات الشيطانية. لكن شيطان باينز الأصلي - والذي ينشأ بشكل طبيعي من الإلكترونات الموجودة في الكتل المعدنية - لم يتم اكتشافه.

الآن يبدو أن فريقًا من علماء الفيزياء في جامعة إلينوي، أوربانا شامبين قد اكتشفوا شيطان باينز. بعد تحسين تقنية تتبع الإلكترونات بدقة أثناء ارتدادها من مادة ما، أنتج الفريق واكتشف سلسلة من الموجات الدورية التي تموج عبر أسراب من الإلكترونات. هذه الموجات، التي يسميها الفيزيائيون "الأنماط"، تتطابق إلى حد كبير مع حسابات باينز. الباحثون بالتفصيل النتائج التي توصلوا إليها in الطبيعة في أغسطس.

قال: "لم يتم رؤية هذه الأوضاع منذ 70 عامًا". بيرس كولمان، عالم فيزياء نظرية في جامعة روتجرز. لكن هذه التجربة الجديدة، بطريقة ما، "تلتقط هذه الأنماط الشيطانية".

تخيل الشياطين

كانت فترة الخمسينيات من القرن الماضي فترة ازدهار لدراسة الإلكترونات في المعادن. لقد طور الفيزيائيون بالفعل نظرية مبسطة تجاهلت ميل الإلكترونات إلى دفع بعضها البعض بعيدًا، وتعاملوا معها بشكل جماعي كما لو أنها تشكل نوعًا من الغاز المتدفق بحرية. وفي عام 1950، ذهب باينز ومستشاره ديفيد بوم إلى أبعد من ذلك. وبعد إضافة تفاعلات الإلكترون إلى نظرية "غاز الإلكترون"، وجدوا أن الإلكترونات يمكن أن تتجمع في بعض الأماكن وتنتشر في أماكن أخرى. شكلت هذه الإلكترونات العنقودية موجات مرتبة متناوبة ذات كثافة أعلى وأقل (وبالتالي مناطق ذات شحنة كهربائية أعلى وأدنى).

ثم دفع باينز النظرية الجديدة إلى أبعد من ذلك. لقد تخيل مادة تحتوي على غازين، كل منهما مصنوع من نوع مختلف من الجسيمات المشحونة. وعلى وجه التحديد، تصور معدنًا يحتوي على إلكترونات "ثقيلة" وإلكترونات "خفيفة". (جميع الإلكترونات متطابقة من الناحية النظرية، ولكن في العالم الحقيقي تعتمد خصائصها القابلة للقياس على بيئتها). وجد باينز أن الموجات في الغاز الأول يمكنها تحييد الموجات في الغاز الثاني؛ فحيثما تتجمع الإلكترونات الثقيلة، تتضاءل الإلكترونات الخفيفة. وبعد ذلك، عندما تتشتت مجموعات الإلكترونات الثقيلة، تتجمع الإلكترونات الأخف لملء البقع الرقيقة. ونظرًا لأن أحد الغازين أصبح سميكًا تمامًا حيث تضاءل الغاز الآخر، فإن كثافة الإلكترون الإجمالية لكلا النوعين معًا - وبالتالي الشحنة الإجمالية والمجال الكهربائي - ستظل محايدة وغير متغيرة. وقال: "الأشياء يمكن أن تتحرك حتى عندما لا تبدو كذلك". أنشول كوجار، فيزيائي المادة المكثفة في جامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس.

ينعكس الضوء فقط من الأجسام ذات التوزيع غير المتساوي للشحنة الكهربائية، لذا فإن حيادية اهتزاز باينز جعلته غير مرئي تمامًا. يأتي الضوء في حزم من الطاقة تسمى الفوتونات، وقد أطلق باينز على حزم الطاقة الخاصة بموجته اسم "الشياطين". وكان الاسم إشارة إلى تجربة الفكر الشيطاني جيمس كليرك ماكسويل، عالم الفيزياء الرائد الذي، كما قال باينز، عاش مبكرًا جدًا بحيث لا يمكن تسمية جسيم أو موجة باسمه. كتب باينز في عام 1956: «أقترح أنه تكريمًا لماكسويل، ولأننا نتعامل هنا مع حالة حركة الإلكترون المتميزة (أو DEM)، فإننا نطلق على هذه الإثارة الجديدة اسم «الشياطين».

على مر العقود، رأى الفيزيائيون موجات شيطانية في مواد مختلفة. وفي عام 1982، قام باحثون في مختبرات بيل تم الكشف عن موجات متعارضة في الصفائح المجاورة من زرنيخيد الغاليوم. وهذا العام، فريق بقيادة فينج وانج من جامعة كاليفورنيا، بيركلي وصف تجربة التقطت موجات شبه غير مرئية من الإلكترونات تنبض بشكل متزامن مع موجات أرق قليلاً ذات شحنة موجبة كائنات جزيئية في ورقة من الجرافين.

لكن مثل هذه المشاهدات حدثت إلى حد كبير في أنظمة ثنائية الأبعاد حيث كانت السمة الشيطانية المحددة أقل إثارة للانتباه. نظرًا للاختلاف في الأبعاد، يمكنك في الوضع ثنائي الأبعاد إطلاق موجة شحن بأقل جهد ممكن. لكن في الوضع ثلاثي الأبعاد، يتطلب بدء الموجة حدًا أدنى من الطاقة لتجميع الإلكترونات غير الاجتماعية معًا. يتم إعفاء الشياطين المحايدة كهربائيًا من رسوم الطاقة ثلاثية الأبعاد. وقال كوجار، الذي أجرى بحث الدكتوراه مع مجموعة أوربانا شامبين: "إن رؤية الشيطان في مادة صلبة ثلاثية الأبعاد أمر خاص بعض الشيء".

هنا تكون الشياطين

فريق أوربانا شامبين بقيادة بيتر أبامونتي، لم يذهب قط لصيد الشياطين. دخل شيطان باينز مباشرة إلى مختبرهم.

في عام 2010، بدأت مجموعة أبامونتي في تطوير تقنية للكشف عن الهزات الدقيقة التي تمتد عبر جحافل الإلكترونات. كانوا يقذفون المادة بالإلكترونات ويسجلون بدقة الطاقة التي تحملها والمسار الذي سلكته عندما ارتدت. واستنادًا إلى تفاصيل تلك الارتدادات، تمكن الفريق من استنتاج كيفية استجابة المادة للاصطدام، والتي بدورها كشفت عن خصائص أي موجات أحدثها الاصطدام. كان الأمر أشبه بتحديد ما إذا كان حوض الاستحمام مملوءًا بالماء أو العسل أو الثلج عن طريق رشه بكرات بينج بونج.

قبل بضع سنوات، قرر الباحثون وضع معدن فائق التوصيل يسمى السترونتيوم روثينيت في مرمىهم. هيكلها مشابه لهيكل أ فئة غامضة من الموصلات الفائقة القائمة على النحاس، ولكن يمكن تصنيعها بطريقة أكثر بدائية. وبينما لم يعرف الفريق أسرار الكوبراتس، استجابت المادة بطريقة لم يفهمها علي حسين، الذي قام بتحسين التقنية كجزء من رسالة الدكتوراه.

وجد حسين أن الإلكترونات المرتدة قد استنزفت طاقتها وزخمها، مما يشير إلى أنها كانت تطلق تموجات تستنزف الطاقة في روثينات السترونتيوم. لكن الموجات تحدت توقعاته: لقد تحركت بسرعة 100 مرة أسرع من أن تكون موجات صوتية (تتموج عبر النوى الذرية) و1,000 مرة أبطأ من أن تكون موجات شحن منتشرة عبر السطح المسطح للمعدن. كما أنها كانت منخفضة للغاية في الطاقة.

قال حسين: "اعتقدت أنها قطعة أثرية". لذلك قام بإدخال عينات أخرى، وجرب جهودًا أخرى، وطلب من أشخاص مختلفين إجراء القياسات.

ظلت الاهتزازات مجهولة الهوية. وبعد إجراء العمليات الحسابية، أدركت المجموعة أن طاقات وزخم التموجات تتوافق بشكل وثيق مع نظرية باينز. عرفت المجموعة أنه في روثينيت السترونتيوم، تنتقل الإلكترونات من ذرة إلى ذرة باستخدام واحدة من ثلاث قنوات متميزة. وخلص الفريق إلى أنه في اثنتين من هذه القنوات، كانت الإلكترونات تتزامن لتحييد حركة بعضها البعض، وتلعب أدوار الإلكترونات "الثقيلة" و"الخفيفة" في التحليل الأصلي لباينز. لقد عثروا على معدن لديه القدرة على استضافة شيطان باينز.

وقال أبامونتي: "إنه مستقر في روثينيت السترونتيوم". "إنه موجود دائمًا."

التموجات لا تتطابق تماماً مع حسابات باينز ولا يستطيع أبامونتي وزملاؤه ضمان أنهم لا يرون اهتزازًا مختلفًا وأكثر تعقيدًا. لكن بشكل عام، كما يقول باحثون آخرون، فإن المجموعة تقدم حجة قوية مفادها أنه تم القبض على شيطان باينز.

وقال: “لقد قاموا بكل ما يمكنهم من فحوصات حسن النية”. سانكار داس سارما، عالم نظريات المادة المكثفة في جامعة ميريلاند والذي قام بذلك عمل ريادي على اهتزازات شيطانية.

العنان للشياطين

الآن بعد أن شك الباحثون في وجود الشيطان في المعادن الحقيقية، لا يمكن للبعض إلا أن يتساءل عما إذا كانت الحركات الثابتة لها أي آثار في العالم الحقيقي. وقال أبامونتي: "لا ينبغي أن يكونوا نادرين، وقد يفعلون أشياءً".

على سبيل المثال، الموجات الصوتية التي تتموج عبر الشبكات المعدنية تربط الإلكترونات بطريقة تؤدي إلى الموصلية الفائقة، وفي عام 1981، اقترحت مجموعة من علماء الفيزياء أن اهتزازات شيطانية يمكن أن يستحضر الموصلية الفائقة بطريقة مماثلة. اختارت مجموعة أبامونتي في الأصل روثينيت السترونتيوم بسبب موصليته الفائقة غير التقليدية. ربما كان الشيطان متورطا.

قال كوجار: "من غير المعروف حاليًا ما إذا كان الشيطان يلعب دورًا أم لا، لكنه جسيم آخر في اللعبة". (يعتقد الفيزيائيون غالبًا أن الموجات ذات خصائص معينة هي جسيمات).

لكن الحداثة الرئيسية في البحث تكمن في اكتشاف التأثير المعدني الذي طال انتظاره. بالنسبة لمنظري المادة المكثفة، فإن هذا الاكتشاف يمثل نهاية مرضية لقصة عمرها 70 عامًا.

وقال كولمان: "إنها ملحق مثير للاهتمام للتاريخ المبكر لغاز الإلكترون".

وبالنسبة لحسين، الذي أنهى دراسته في عام 2020 ويعمل الآن في شركة Quantinuum، يشير البحث إلى أن المعادن والمواد الأخرى تعج باهتزازات غريبة يفتقر الفيزيائيون إلى الأدوات اللازمة لفهمها.

وقال: "إنهم يجلسون هناك فقط، في انتظار أن يتم اكتشافهم".