يستكشف الفيزيائيون ألغاز المعادن الغريبة

يتعلم الفيزيائيون المزيد عن السلوك الغريب لـ “المعادن الغريبة” ، التي تعمل خارج القواعد العادية للكهرباء.

ساهم الفيزيائي النظري يشار كوميجاني ، الأستاذ المساعد في جامعة سينسيناتي ، في تجربة دولية باستخدام معدن غريب مصنوع من سبيكة من الإيتربيوم ، وهو معدن أرضي نادر. أطلق علماء الفيزياء في مختبر في هيوغو باليابان أشعة غاما المشعة على المعدن الغريب لمراقبة سلوكه الكهربائي غير المعتاد.

بقيادة هيساو كوباياشي مع جامعة هيوغو وريكين ، نُشرت الدراسة في المجلة علوم. كشفت التجربة عن تقلبات غير عادية في الشحنة الكهربائية لهذا المعدن الغريب.

قال كوميجاني: “الفكرة هي أنه في المعدن ، لديك بحر من الإلكترونات تتحرك في الخلفية على شبكة من الأيونات”. “لكن شيئًا رائعًا يحدث مع ميكانيكا الكم. يمكنك أن تنسى تعقيدات شبكة الأيونات. وبدلاً من ذلك ، فإنها تتصرف كما لو كانت في فراغ.”

كان Komijani لسنوات يستكشف ألغاز المعادن الغريبة فيما يتعلق بميكانيكا الكم.

قال: “يمكنك وضع شيء ما في صندوق أسود ويمكنني أن أخبرك كثيرًا عما بداخله دون حتى النظر إليه فقط عن طريق قياس أشياء مثل المقاومة وسعة الحرارة والتوصيل”.

“لكن عندما يتعلق الأمر بالمعادن الغريبة ، ليس لدي أي فكرة عن سبب إظهارهم للسلوك الذي يقومون به. اللغز هو ما يحدث داخل هذا النظام الغريب. هذا هو السؤال.”

تحظى المعادن الغريبة باهتمام مجموعة واسعة من علماء الفيزياء الذين يدرسون كل شيء من فيزياء الجسيمات إلى ميكانيكا الكم. يرجع أحد الأسباب إلى الموصلية العالية بشكل غريب ، على الأقل في درجات الحرارة شديدة البرودة ، مما يمنحها إمكانات لتكون موصلات فائقة للحوسبة الكمومية.

وقال بيرس كولمان ، مؤلف مشارك في الدراسة ، وهو أستاذ متميز في جامعة روتجرز: “الشيء المثير حقًا بشأن هذه النتائج الجديدة هو أنها توفر نظرة ثاقبة جديدة للآلية الداخلية للمعدن الغريب”.

وقال: “توفر هذه المعادن قماشًا لأشكال جديدة من المواد الإلكترونية – خاصة الموصلية الفائقة الغريبة وذات درجات الحرارة العالية”.

قال كولمان إنه من السابق لأوانه التكهن بشأن التقنيات الجديدة التي قد تكون مصدر إلهام للمعادن الغريبة.

وقال كولمان: “قيل إنه بعد أن اكتشف مايكل فاراداي الكهرومغناطيسية ، سأل المستشار البريطاني ويليام جلادستون عما يمكن أن يكون مفيدًا”. أجاب فاراداي أنه بينما لم يكن يعلم ، كان على يقين من أن الحكومة ستفرض عليها الضرائب يومًا ما.

فتحت اكتشافات فاراداي عالماً من الابتكار.

قال كولمان: “نشعر بنفس الشيء تجاه المعدن الغريب”. “تلعب المعادن مثل هذا الدور المركزي اليوم – النحاس ، المعدن التقليدي النموذجي ، موجود في جميع الأجهزة ، جميع خطوط الطاقة ، في كل مكان حولنا.”

قال كولمان إن المعادن الغريبة ذات يوم يمكن أن تكون موجودة في كل مكان في تقنيتنا.

كانت تجربة اليابان رائدة جزئيًا بسبب الطريقة التي ابتكر بها الباحثون جسيمات جاما باستخدام مسرع جسيمات يسمى السنكروترون.

“في اليابان ، يستخدمون السنكروترون كما هو الحال في CERN [the European Organization for Nuclear Research] قال كوميجاني: “يسرع البروتون ويصطدم بالحائط ويصدر أشعة جاما. لذلك لديهم مصدر أشعة جاما حسب الطلب دون استخدام مواد مشعة”.

استخدم الباحثون التحليل الطيفي لدراسة تأثيرات أشعة جاما على المعدن الغريب.

قام الباحثون أيضًا بفحص سرعة تقلبات الشحنة الكهربائية للمعدن ، والتي تستغرق نانوثانية فقط – جزء من المليار من الثانية. قال كوميجاني إن هذا قد يبدو سريعًا بشكل لا يصدق.

“ومع ذلك ، في عالم الكم ، فإن النانو ثانية هي الأبدية” ، قال. “منذ فترة طويلة كنا نتساءل عن سبب بطء هذه التقلبات في الواقع. توصلنا إلى نظرية مع المتعاونين مفادها أنه قد تكون هناك اهتزازات في الشبكة ، وكان هذا هو الحال بالفعل.”