ذرة واحدة غيرت كل شيء
تخيل هذا: أنت تمسك بمادة رقيقة للغاية لدرجة أنها ثنائية الأبعاد تقريبًا، وفي مكان ما بداخلها، تدور دوامات كمومية صغيرة. الآن تخيل أنه يمكنك توجيه تلك الدوامات مثل قائد أوركسترا يوجه الفرقة الموسيقية — فقط من خلال امتلاك سطح يكاد لا يُذكر.
هذا بالضبط ما اكتشفه الباحثون في المعهد الوطني لعلوم المواد في اليابان، وبصراحة؟ حقيقة أن شيئًا بهذا الصغر يمكن أن يكون له هذا التأثير الكبير تجعل "عالم العلوم" الذي بداخلي يشعر بحماس شديد.
ما الأهمية الكبيرة لهذه الدوامات؟
دعوني أعود قليلاً إلى الوراء. الموصلات الفائقة هي تلك المواد المذهلة التي يمكنها نقل الكهرباء بدون أي مقاومة حرفيًا — لا حرارة، لا طاقة مهدورة، لا شيء. العائق؟ إنها لا تعمل إلا عندما تكون باردة للغاية، عادةً أبرد من الفضاء الخارجي. ولكن عندما تعمل، تكون ساحرة.
هنا تصبح الأمور معقدة. فحتى في الموصلات الفائقة، توجد هذه المشاكسات الصغيرة التي تسمى "الدوامات الكمومية". تتشكل هذه الدوامات أينما اخترقت المجالات المغناطيسية المادة، وعندما تبدأ في التحرك، فإنها تخلق مقاومة بالفعل — مما يقضي على الميزة التي تجعل الموصلات الفائقة مميزة.
الأمر يشبه امتلاك سيارة تستهلك كمية ضئيلة جدًا من الوقود، باستثناء أن بعض "الغيلان" يضعون العصي في العجلات باستمرار.
الخطوات الذرية التي لم يتوقعها أحد
كان الفريق البحثي، بقيادة تاكاشي أوتشيهاشي، يدرس موصلًا فائقًا فائق الرقة — نحن نتحدث عن مادة رقيقة للغاية لدرجة أنها بالكاد تُصنف كمادة ثلاثية الأبعاد. وقد لاحظوا أن السطح يحتوي على درجات صغيرة، كل واحدة منها بارتفاع ذرة واحدة فقط.
الآن، قد تعتقد أن درجة بارتفاع ذرة لن تكون شيئًا يذكر. لكن اتضح أن تلك الدرجات الصغيرة تعمل مثل سكك حديدية مجهرية.
وجد الفريق أن الدوامات يمكنها السفر على طول هذه الدرجات بسهولة أكبر بأكثر من 1000 مرة مما يمكنها فعله عند عبورها بشكل عمودي عليها. في العالم الكمومي، هذا ليس مجرد "تحسن جيد" — بل هو أشبه بالانتقال من الزحف وسط حركة المرور إلى الإبحار على طريق سريع خالٍ من السيارات.
التحكم في غير القابل للتحكم
لكن إليكم ما أثار حماسي حقًا تجاه هذا البحث: يمكن للعلماء في الواقع "ضبط" هذا التأثير.
من خلال تعديل درجة الحرارة أو قوة المجال المغناطيسي، يمكنهم تغيير مدى قوة اتباع الدوامات لهذه المسارات الذرية. هناك حتى "نقطة مثالية" — بين 0.10 و0.20 تسلا من المجال المغناطيسي — حيث تتدفق الدوامات بحرية على طول الدرجات دون أن تلتصق بالعيوب المادية.
وفي درجات الحرارة الأكثر برودة، حدث شيء أكثر غرابة. بدأت الدوامات في التحرك عبر "النفق الكمومي"، وهو ما يحدث أساسًا عندما تتجاهل الجسيمات القواعد وتمر عبر الحواجز التي من المفترض أن توقفها تمامًا.
لماذا يجب أن تهتم؟
إليك الجانب العملي لكل هذا الغموض الكمومي.
تُستخدم تكنولوجيا الموصلات الفائقة بالفعل في أجهزة الرنين المغناطيسي، ومسرعات الجسيمات، وبعض القطارات التجريبية التي تطفو على المغناطيس. ولكن تخيل لو استطعنا جعل هذه التقنيات أكثر كفاءة، وأكثر موثوقية، وربما — ربما فقط — عملية للإلكترونيات اليومية.
هاتفك، وحاسوبك المحمول، ومراكز البيانات التي تستهلك كميات هائلة من الطاقة — كل هذه الأشياء يمكن أن تستفيد نظريًا من المكونات فائقة التوصيل. نحن نتحدث عن أجهزة لا تولد أي حرارة تقريبًا وتستهلك الطاقة بقطرات بسيطة بدلاً من التهامها.
يشير هذا البحث إلى أننا قد نتمكن في النهاية من التحكم في تلك الدوامات المزعجة ببساطة عن طريق تصميم أسطح ذات بنية ذرية مناسبة. لا حاجة لهندسة معقدة — فقط اترك الذرات تقوم بالعمل.
إنها التفاصيل الصغيرة
أنا أحب قصصًا كهذه لأنها تذكرنا بمدى الأشياء المذهلة التي تحدث في مستويات لا يمكننا حتى رؤيتها. ذرة واحدة. درجة واحدة صغيرة. وفجأة، أصبح لدينا طريقة جديدة لتطويع العالم الكمومي.
يبدو العلم أحيانًا وكأنه يتمحور حول بناء أشياء أكبر — تلسكوبات أقوى، مصادمات أكبر، تجارب أضخم. ولكن هنا، جاء الاختراق من خلال الاهتمام بشيء متناهي الصغر.
في المرة القادمة التي يخبرك فيها شخص ما أن الحجم لا يهم، يمكنك توجيهه إلى هذا البحث. في العالم الكمومي، قد تكون ذرة واحدة هي المفتاح لمستقبل أكثر استدامة.
المصدر: ScienceDaily