سائل كمي غير عادي على سطح الكريستال يمكن أن يلهم صناعة الالكترونيات المستقبلية

مدارات غريبة لإلكترونات تتشكل على سطح بلورة

    لأول مرة، تجربة وتصوير مباشر لمدارات الإلكترونات في حقل مغناطيسي قوي، وإلقاء الضوء على السلوك الجماعي غير المعتاد للإلكترونات مما يتيح طرق جديدة لمعالجة الجسيمات المشحونة.

    

ونشرت الدراسة، التي أجراها باحثون في جامعة برنستون وجامعة تكساس اوستن في 21 أكتوبر، في مجلة العلوم العلمية. توضح الدراسة أن الإلكترونات عند حفظها في درجات حرارة منخفضة جدا حيث تظهر تصرفاتها الكميّة يمكن أن تبدأ تلقائيا بالتنقل في مسارات بيضاوية متطابقة على سطح بلورة البيزموث، مشكلةّ حالة من المائع الكمّي. وكان من المتوقع هذا السلوك نظريا خلال العقدين الماضيين من قبل الباحثين من جامعة برينستون وغيرها من الجامعات.

    "هذا هو التصوير الأول للسائل الكمي من الإلكترونات الذي يظهر أنّ التفاعلات بين الإلكترونات جعلتها تختيار بشكل جماعي مدارات بهذه الأشكال غير العادية، الاكتشاف الكبير الآخر هو أن هذه هي المرة الأولى التي تم فيها تصوير مدارات الإلكترونات تتحرك في مجال مغناطيسي مباشر، في الواقع قدرتنا على تصوير هذه المدارات سمحت لنا بالكشف عن تكوين هذا السائل الكمي الغريب."، يقول علي يازداني، أستاذا الفيزياء من الدرجة الاولى عام 1909 في جامعة برينستون، الذي قاد فريق البحث.

    قد توفر الاستكشافات الجوهرية على المواد الأساس لتقنيات إلكترونية أسرع وأكثر كفاءة. فالأجهزة الإلكترونية اليوم، من أجهزة الكمبيوتر إلى الهواتف المحمولة، تستخدم معالجات مصنوعة من السيليكون. و مع وصول السيليكون إلى أقصى قدراته على معالجة المعلومات، بدأ العلماء يبحثون عن مواد و آليات أخرى.

    في هذا العمل، المدارات البيضاوية الغريبة تتوافق مع جريان الإلكترونات في قنوات "وديان" مختلفة حسب الحالة التي تكون فيها المادة. وقال الباحثون ان هذه التجربة توضح إحدى الحالات النادرة التي تحتل فيها الإلكترونات بشكل عفوي قناة "وادي" واحد أو آخر.

    فريق جامعة برينستون استخدم مجهر المسح النفقي لتصور الإلكترونات على سطح بلورة البيزموث في درجات حرارة منخفضة للغاية حيث يمكن ملاحظة السلوكيات الكميّة.  فالبيزموث لديها عدد قليل نسبيا من الإلكترونات، مما يجعلها مثالية لمشاهدة ما يحدث لتدفق الإلكترونات المعرّضة لحقل مغناطيسي قوي.

    نظرا للتصميم الشبكي للبلورة، توقع الباحثون رؤية ثلاثة مدارات بيضاوية بأشكال مختلفة. وبدلاً من ذلك وجد الباحثون ان كل مدارات الإلكترون اصطفت تلقائياً في نفس الاتجاه، أو في ترتيب "خيطي". وجد الباحثون أن هذا السلوك حدث لأن الحقل المغناطيسي القوي أدى بالإلكترونات أن تتفاعل مع بعضها البعض بطرق عطلت التناظر في البنية الشعرية الأساسية.

    قال يازداني: يبدو الأمر كما لو أنّ الإلكترونات قررت بصورة عفوية ، "إذا اخترنا جميعا اتجاه واحد معين في البلورة وسرنا في هذا الاتجاه فإنّ ذلك سيقلل من طاقتنا".

   وأضاف يازداني: "ما كان متوقعا ولكن لم يثبت هو أننا نستطيع تحويل السائل الإلكترون إلى هذا السائل الخيطي، مع توجه مفضل عن طريق تغيير التفاعل بين الإلكترونات، عن طريق ضبط قوة المجال المغناطيسي، يمكنك فرض تفاعل الإلكترونات فيما بينها بقوة و رؤيتها فعلياً تكسر التناظر في سطح البلورة عن طريق اختيار اتجاه محدد بشكل جماعي."

   التماثلات المنكسرة ذاتياً هي منطقة نشطة للدراسة و يعتقد أن تكون وراء الخصائص الفيزيائية مثل الموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية، والتي تمكن الإلكترونات أن تتدفق دون مقاومة.

    قبل التصوير المباشر لسلوك هذه الإلكترونات في الحقول المغناطيسية، امتلك الباحثون، من خلال أنواع أخرى من التجارب اشارات أو دلالات على هذا السلوك، الذي يسمونه رواق السائل الكمي الخيطي، ولكن هذه الدراسة هي أول قياس مباشر للعملية.

    الدراسة تعطي دليلا تجريبيا للأفكار التي تنبأت بهذه العملية على مدى العقدين الماضيين، بما في ذلك العمل النظري لأستاذ الفيزياء في برينستون شيفاجي سوندي وغيره. إدواردو فرادكين، أستاذ الفيزياء في جامعة إلينوي في أوربانا شامبين، ساهم جنبا إلى جنب مع ستيفن كيفيلسون، أستاذ الفيزياء في جامعة ستانفورد، في التنبؤات المبكرة على هذا السلوك في ورقة بحثية نشرت في مجلة نيتشر في عام 1998. "ما تقدمه لنا تجارب يازداني هو اختبار أكثر تحديداً وقياساً لاستكشاف الخاصية الجماعية للإلكترونات في هذه المادة"، يقول فرادكين الذي لم يشارك في الدراسة الحالية."هذا شيء قدمنا الحجج عليه مسبقاً، والآن فقط قد تم تأكيده في هذه المادة بالتحديد. بالنسبة لي، هذا يشعرني بالرضى الكبير لرؤية".