العلماء يتمكنون من تحويل الضوء إلى مادة فائقة الصلابة
تاريخ النشر: 16th, March 2025 GMT
في عالمنا اليوم، نعرف 3 حالات تقليدية للمادة، وهي الصلبة التي لها شكل ثابت، مثل الجليد أو المعادن، والسائلة التي تتدفق بحرية، مثل الماء، والغازية مثل الهواء، الذي ينتشر لملء أي فراغ.
وهناك كذلك حالات مثل البلازما، والتي توجد في الشمس، وتتكون من جسيمات مشحونة كهربائيا.
لكن في عالم الفيزياء الكمومية، تظهر حالات أغرب، مثلا يمكن أن تجمع "المادة فائقة الصلابة" بين خصائص الصلب والسائل معا.
هذه المادة، يمكنها أن تتصرف مثل الصلب والسائل في نفس الوقت، هذه هي المادة فائقة الصلابة، وهي حالة كمومية غريبة من المادة تمتلك بنية صلبة مثل البلورة، لكنها في نفس الوقت تتدفق بسلاسة مثل السائل من دون أي احتكاك.
تخيل صفّا من قطرات الماء يمكنه أن يتحرك بسلاسة، لكن المسافة بين القطرات لا تتغير أبدا، هذا شيء مستحيل في عالمنا العادي، لكنه ممكن في العالم الكمومي.
ويقول عالم الفيزياء الذرية والبصرية، إياكوبو كاروسوتو، من جامعة ترينتو في إيطاليا في تصريح رسمي حصلت الجزيرة نت على نسخة منه: "هذه القطرات قادرة على التدفق عبر عائق من دون التعرض لاضطرابات، مع الحفاظ على ترتيبها المكاني ومسافتها المتبادلة من دون تغيير كما يحدث في المواد الصلبة البلورية".
إعلانوفي إنجاز علمي مذهل، تمكن علماء إيطاليون من تحويل الضوء نفسه إلى مادة فائقة الصلابة، ويمكن أن يؤدي هذا الاكتشاف إلى تطورات كبيرة في الفيزياء الكمومية والتقنيات المستقبلية.
ولم تكن المواد الصلبة الفائقة تُصنع سابقا إلا من الذرات، لكن الفريق الذي يقوده علماء من المجلس الوطني للبحوث في إيطاليا نجح الآن في صنع مادة صلبة فائقة باستخدام الفوتونات لأول مرة.
الضوء وحركاتهالضوء هو طاقة نقية، وليس مادة، لذلك فهو لا يتصرف عادة مثل الصلب أو السائل، لكن العلماء استخدموا حيلة فيزيائية ذكية لجعل الضوء يتصرف مثل المادة، بحسب الدراسة التي نشرت في الدورية المرموقة "نيتشر".
الخطوة الأولى كانت جعل الضوء "يلتصق" بالمادة، وحتى يصبح الضوء أقرب إلى المادة، يجب دمجه مع جسيمات مادية. وللقيام بذلك، استخدم العلماء حزمة ضوئية مركزة (ليزر) وتم توجيهها على مادة خاصة تُعرف باسم زرنيخيد الغاليوم، وهو مركب من عناصر الغاليوم والزرنيخ.
عند اصطدام الضوء بالمادة، بدأ بالتفاعل مع الإلكترونات داخل المادة، مما أدى إلى ظهور جسيمات شبه مادية تُسمى البولاريتونات، وللتقريب يمكن تصور أنها جسيمات "هجينة" جزء من الضوء وجزء من المادة.
واصطلاح "شبه مادية" يشير إلى نوع غير معتاد من المادة يسميه العلماء أشباه الجسيمات، ولفهم الفكرة تخيل أنك تلعب مع أصدقائك في حوض سباحة، وعندما تحرك يدك في الماء، ترى تموجات صغيرة تتحرك عبر سطح الماء، هذه التموجات ليست أشياء مادية بحد ذاتها، لكنها تتصرف كأنها كائنات مستقلة تتحرك عبر الماء.
وبنفس الطريقة، تكون أشباه الجسيمات، فهي ظواهر تحدث داخل المواد الصلبة، حيث تتحرك الطاقة أو الاضطرابات بطريقة تجعلها تبدو كأنها جسيمات حقيقية، رغم أنها ليست جسيمات مستقلة مثل الإلكترونات أو البروتونات.
وللتأكد من نجاح التجربة، أجرى العلماء بعض الاختبارات المهمة مثل قياس كثافة المادة الناتجة ووجدوا أنها تتوزع في شكل قمتين كبيرتين مع فجوة بينهما، وهو دليل على وجود مادة فائقة الصلابة، كما استخدموا تقنيات أخرى لقياس الحالة الكمومية للنظام، ووجدوا أن الترتيب الكمومي بقي ثابتا عبر النظام بأكمله، وهذا يؤكد أن المادة كانت بالفعل فائقة الصلابة.
إعلانويُمثل هذا الابتكار الحديث تقدما كبيرا في فيزياء الكم، حيث يفتح تحويل الضوء إلى حالة صلبة فائقة آفاقا لتقنيات ضوئية جديدة، مثل أجهزة الليزر والأجهزة البصرية من الجيل التالي ذات الأداء المُحسّن والوظائف الجديدة، كما يمكن أن يساعد ذلك على استكشاف أعمق لطبيعة المادة والضوء في العالم الكمومي.
إلى جانب ذلك، تتميز المواد الصلبة الفائقة بخصائص كمية فريدة يُمكن تسخيرها لتطوير "كيوبتات" أكثر استقرارا وكفاءة، وهي الوحدات الأساسية للحواسيب الكمومية.
ويمكن للمواد فائقة الصلابة كذلك أن تساعد في تطوير أجهزة قياس دقيقة، حيث إن حساسية المواد الصلبة الفائقة للمحفزات الخارجية تجعلها مثاليةً لإنشاء مستشعرات عالية الدقة، ويمكن لهذه المستشعرات أن تُحدث ثورة في المجالات التي تتطلب قياسات دقيقة، بما في ذلك الفيزياء الفلكية وتكنولوجيا النانو.
المصدر: الجزيرة
كلمات دلالية: حريات رمضان المواد الصلبة یمکن أن
إقرأ أيضاً:
باحث سوري يُسهم ببناء تقنية ليزر فائقة السرعة تجعل المستحيل ممكنًا
قام فريق بحثي من المركز الوطني لأبحاث تكنولوجيا النانو في جامعة بيلكنت التركية ببناء تقنية جديدة تستخدم الليزر الفائق السرعة، تتيح تصنيع الزيولايت بسرعة فائقة وبدقة غير مسبوقة، الأمر الذي يفيد في نطاقات تصنيع كثيرة.
الزيولايت هي مواد طبيعية أو صناعية تشبه الأحجار، تتميز بتركيبة فريدة تحتوي على مسام دقيقة بحجم النانو أو الميكرون.
يقول غيث مكي الباحث المشارك بالدراسة "هذه المسام تجعل الزيولايت بمثابة "مصفاة سحرية" تستطيع امتصاص المواد بشكل انتقائي، وفصل الغازات وامتصاص الرطوبة وهي تطبيقات مهمة في نطاق البتروكيماويات بشكل عام، وحتى المساعدة في التقاط ثاني أكسيد الكربون من الجو، مما يساهم في مكافحة تغير المناخ".
مكي باحث سوري، يعمل حاليا في جامعة بيلكنت، إلى جانب عمله الخاص في نطاق علوم الليزر، ويعمل كذلك بدوام جزئي كباحث في جامعة قطر في الدوحة.
ويضيف مكي أن هذه المواد تُستخدم كذلك في تنقية المياه، تحسين جودة المنظفات، تسريع التفاعلات الكيميائية، وحتى كأجهزة استشعار للغازات.
ويوضح أنه "بالجداول النظرية، هناك عدد كبير من التركيبات المختلفة التي يمكن أن يتشكل الزيلولايت بها، لكن المشكلة دائما كانت في التصنيع"
إعلانتصنيع الزيولايت كان تحديًا كبيرًا دائما، فالطريقة التقليدية، المعروفة باسم "التخليق الحراري المائي"، تحتاج إلى درجات حرارة مرتفعة تصل إلى 270 درجة مئوية، وضغط هائل يصل إلى 120 بارًا، وتستغرق وقتًا طويلا.
"هذه العملية بطيئة وصعبة التحكم، مما يحد من قدرتنا على تصميم الزيولايت بدقة عالية" بحسب ما أوضح مكي.
لكن الآن، يأتي اختراق علمي جديد من خلال تقنية جديدة تستخدم الليزر الفائق السرعة، هذه الطريقة، التي طورها فريق بحثي في جامعة بلكنت بأنقرة، تتيح تصنيع الزيولايت بسرعة فائقة وبدقة غير مسبوقة، دون الحاجة إلى درجات الحرارة أو الضغط العالي.
وكان مكي المؤلف الرئيسي لدراسة سابقة في عام 2020، استخدمت تقنية شبيهة لدراسة ظاهرة غاية في الأهمية سميت "الانتظام الذاتي"، وهو عملية تكتسب الجزيئات من خلالها ترتيبا محددا بفضل ديناميكياتها الذاتية.
وفي تلك التجارب، تم إطلاق ليزر فائق السرعة على تركيبة من المواد داخل الماء، الأمر الذي يدفعها للتجمع ذاتيا، ومن ثم يسمح ذلك للعلماء بدراسة ظاهرة الانتظام الذاتي.
أما الآن، وبعد خط سير ناجح من استخدام الليزر فائق السرعة في تجارب شبيهة، فقد أطلق الباحثون بقيادة الدكتورة سيزين كاديوغلو، العالمة من المركز الوطني لأبحاث تكنولوجيا النانو، نبضات ليزر دقيقة للغاية، تستغرق أجزاء من تريليون من الثانية، لتحفيز تفاعلات كيميائية سريعة.
هذه النبضات تخلق ظواهر ديناميكية مثل الفقاعات الصغيرة، والتدفقات الحرارية، وحتى موجات صدمية صغيرة، مما يسمح بتشكيل بلورات الزيولايت بشكل مثالي تقريبًا
الأهم من ذلك، أن هذه التقنية تتيح للعلماء "تجميد" عملية التصنيع في أي مرحلة، مما يسمح بدراسة كيفية تكون الزيولايت خطوة بخطوة، من الجزيئات الأولية إلى البلورات الكاملة، ويوضح مكي أن التقنية الجديدة تسمح بعدد كبير من خيارات التحكم، التي بدورها تفتح الباب لتطبيقات رائدة.
إعلان سر الزيولايتوتقول كاديوغلو في تصريح للجزيرة نت "من أكثر الجوانب التي أبهرتني أثناء عملي على الزيولايت خلال دراستي للدكتوراه هو كيفية تطبيق مادةٍ واحدة في نطاق واسع من المجالات".
وتضيف "على الرغم من أن الزيولايتات معادن طبيعية، إلا أن أشكالها الاصطناعية تُنتَج في المختبرات منذ خمسينيات القرن الماضي. لهذا السبب، يُشار إليها أحيانًا باسم "السيدة العجوز".
وتوضح كاديوغلو أنه من خلال ضبط الظروف الخاصة بكل تطبيق لهذه المادة، "يُمكننا تحديد كيفية اختلاف الزيولايتات المُصنّعة باستخدام طرق تخليق الليزر فائق السرعة في الأداء والخصائص مقارنةً بتلك المُنتجة من خلال التخليق الحراري المائي التقليدي. قد تشمل هذه التطبيقات التحفيز الضوئي، أو التحفيز، أو امتزاز الغاز، إلخ".
وتضيف كاديوغلو إنه "من حيث المبدأ، إذا تم ضبط ظروف التخليق المناسبة بعناية، يُمكن تخليق مواد أخرى أيضًا، فالزيولايتات ليست المواد الوحيدة التي يُمكن تخليقها في مثل هذه الظروف؛ إذ يُمكن أيضًا إنتاج مجموعة متنوعة من المواد الأخرى"، التي تمتلك تطبيقات متعددة.
هذا الاكتشاف يفتح إذن آفاقًا جديدة لتصميم زيولايتات مخصصة لتلبية احتياجات صناعية وبيئية متنوعة، مثل تحسين كفاءة تخزين الطاقة أو تنقية الهواء.
في النهاية، فإن الزيولايت ليس مجرد مادة كيميائية، بل هو حلقة وصل لمستقبل أكثر استدامة. على سبيل المثال، يمكن استخدامه لتقليل انبعاثات الكربون في الصناعات الثقيلة، وتحسين جودة المياه في المناطق الفقيرة، وحتى زيادة كفاءة الأسمدة في الزراعة.
وبفضل هذه التقنية الجديدة، يمكن أن يصبح إنتاج الزيولايت أسرع، وأرخص، وأكثر دقة، مما يعني أن حلولا بيئية وصناعية مبتكرة باتت في متناول اليد.
شاهد | الرئيس الإماراتي يستقبل ترامب في قصر الوطن بأبوظبي