عيون جديدة على عالم الكم

يقدم علماء معهد وايزمان للعلوم المجهر الكمومي الدوار توضيحًا لمجهر الكم الدوار. تنتقل الإلكترونات من الإبرة (الهرم المقلوب) إلى العينة في عدة أماكن في نفس الوقت (خطوط خضراء عمودية) دون أن تفقد طبيعتها الموجية الكمية (أرجوانية) واحدة من أغرب خصائص العالم الكمي يتم التعبير عنها في حقيقة أن الجسيم هو أيضًا موجة – أي أنه موجود في عدة أماكن في نفس الوقت. من المفارقات ، إذا لاحظنا جسيمًا ، مثل الإلكترون ، فسنحصره في مكان واحد ونتسبب في فقدانه لطبيعته الكمومية. تمكن علماء معهد وايزمان للعلوم من التغلب على هذا الغرابة الكمومية وطوّروا في هذه العملية طريقة جديدة لمراقبة المواد الكمومية. في الدراسة المنشورة اليوم في المجلة العلمية Nature ، يقدمون للعالم مجهر التواء الكم – Quantum Twisting Microscope أو QTM باختصار – الذي يتبع السلوك المتموج للإلكترونات دون التسبب في انهيارها إلى حالة جسيمية. ستجعل هذه التقنية من الممكن إنشاء مواد كمومية جديدة ذات خصائص وتطبيقات غير مسبوقة ، مع مراقبة الطبيعة الكمومية الأساسية لإلكتروناتها في نفس الوقت. “نحن لا نطرح أسئلة شخصية على الإلكترون ، مثل” أين أنت؟ “يقول رئيس فريق البحث البروفيسور شاحال إيلاني من قسم فيزياء المادة المكثفة في المعهد. “نحن ببساطة نجري تجربة تسمح للإلكترون بالتواجد في عدة أماكن في نفس الوقت ، وبالتالي نتمكن من قياس سلوكه الكمومي الحساس للغاية دون تدميره.” يوضح البروفيسور إيلاني أن السلوك الموجي للإلكترونات مستخدم بالفعل في مواد متقدمة تسمى المواد الكمومية ، أي تلك التي تحدد خصائصها بواسطة الظواهر الكمومية. ولكن من أجل جعل الإلكترونات تؤدي حركات مثيرة مختلفة – على سبيل المثال ، من أجل بناء أنواع جديدة من الأجهزة الإلكترونية – يحتاج العلماء إلى فهم ما تفعله الإلكترونات بالضبط في المادة. ويقول إنه لا توجد طريقة أفضل لفهم هذا من إظهار العيون. يقول البروفيسور إيلاني: “يراقب علماء الأحياء الخلايا باستخدام المجاهر الضوئية ، ويدرس علماء الفلك النجوم باستخدام التلسكوبات. الآن سيكون الفيزيائيون قادرين على فحص المواد باستخدام مجهر الكم لدينا ومراقبة الإلكترونات بطريقة غير ممكنة مع الأدوات الموجودة”.[embedded content]لإنتاج صورة كمومية ، أخذت قدرة العلماء على رؤية الإلكترونات في المادة قفزة في الثقة منذ حوالي 40 عامًا مع اختراع مجهر المسح النفقي ، والذي حصل المخترعون على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1986. يستخدم هذا المجهر إبرة رفيعة للغاية لمسح سطح المادة ، وحقن تيارًا كهربائيًا فيها ، وبالتالي تنتج تدريجياً صورة لتوزيع الإلكترونات في المادة. “يلاحظ علماء الأحياء الخلايا باستخدام المجاهر الضوئية ، ويدرس علماء الفلك النجوم باستخدام التلسكوبات – وسيكون الفيزيائيون الآن قادرين على فحص المواد الكمومية باستخدام مجهرنا” ، كما يقول الباحثون عن التقنية الرائدة التي طوروها “منذ هذا الاختراع ، تم تطوير العديد من الطرق المختلفة من أجل مسح المادة على نطاق دون ذري ، لكنهم جميعًا يقيسون خصائص الإلكترونات في مكان واحد في أي وقت ، حتى يتمكنوا من مراقبة الإلكترونات بشكل أساسي كجسيمات ؛ لا يمكن دراسة طبيعة الموجة إلا بشكل غير مباشر “، يوضح البروفيسور آدي ستيرن ، زميل في قسم الأستاذ إيلاني. شارك البروفيسور شتيرن في البحث مع ثلاثة علماء فيزيائيين نظرية آخرين من نفس القسم: البروفيسور بينغاي يان والبروفيسور يوفال أورغ والبروفيسور إيريز بيرغ. يقول البروفيسور ستيرن: “ينتج المجهر الذي طورناه هنا صورة كمية لسلوك الإلكترونات في المادة ، أي أنه يسمح بالتصوير المباشر لموجات الإلكترون الكمومية”. تطور جديد في مواد الغزل إن QTM التي بناها ألون إنبار ودكتور جون بيركبيك وجيفان شو في مختبر البروفيسور إيلاني هي أداة جديدة تمامًا من الناحية المفاهيمية. ومن بين الأشياء الرئيسية التي تميزها عن الماسحات الضوئية الموجودة هي الإبرة. إبرة ذات ذرة واحدة أو اثنتين كما هو الحال في الماسحات الضوئية الموجودة ، يوجد سطح بعرض حوالي ألف ذرة هنا ؛ كبير بما يكفي للسماح للإلكترونات بالتدفق مع طبيعتها الكمومية. يمنح السطح QTM دورًا لا يقل أهمية عن إمكانية المراقبة المواد: القدرة على استخدامها كآلة للإنتاج السريع لمواد كمومية جديدة. ينتمي هذا الدور إلى “twisttronics” ، وهو مجال جديد لأبحاث المواد النانوية وُلد قبل حوالي أربع سنوات مع اكتشاف مفاجئ فيما يتعلق بالجرافين ، وهو عبارة عن لوح بلوري من الكربون بسماكة ذرة واحدة فقط. واتضح أنه إذا تم وضع طبقتين من الجرافين فوق بعضهما البعض في دوران طفيف ، أو “الالتواء” – وليس محاذاة دقيقة ومحاذاة للشبكات الذرية في الطبقتين – تأخذ “الشطيرة” الناتجة خصائص غير متوقعة. بعد هذا الاكتشاف ، بدأ العلماء في تطوير أنواع مختلفة من المواد الكمومية ، لكل منها “دوران” خاص بها. تم اكتشاف زاوية الدوران لتكون المتغير الأكثر أهمية للتحكم في سلوك الإلكترونات في المواد : تغيير عُشر الدرجة يمكن أن يجعلها غير موصلة للكهرباء للمواد العازلة الغريبة وغير العادية. ولكن على الرغم من أهميته ، فإن هذا المتغير هو أيضًا الأكثر صعوبة في التحكم فيه ، حيث يتطلب كل إنشاء زاوية جديدة إنشاء “شطيرة” جديدة ، وهي عملية قد تستغرق شهورًا. يحل QTM هذه المشكلة عن طريق فصل الطبقتين: طبقة واحدة متصلة بإبرة مجهر المسح ، بينما توضع الأخرى تحتها. يسمح الفصل للعلماء بالتحكم بدقة ليس فقط في مستوى الضغط والمسافة بين الطبقتين ، ولكن أيضًا لتدوير السطح العلوي بدقة كبيرة ، وبالتالي تغيير زاوية الدوران بين الطبقات بسرعة وسهولة وإنشاء عدد لا نهائي تقريبًا من المواد التي لا توجد في الطبيعة. يقول ألون إنبار ، طالب الدكتوراه: “كان دافعنا الأولي هو حل مشكلة الزاوية من خلال بناء جهاز جديد يمكنه تدوير أي مادتين فيما يتعلق ببعضهما البعض بطريقة محكمة ودقيقة ، وبالتالي إنتاج مجموعة متنوعة من المواد الجديدة بسرعة”. الطالب الذي قاد البحث في مختبر البروفيسور إيلاني. “أثناء بناء هذا الجهاز ، اكتشفنا أنه من الممكن تحويله إلى مجهر قوي قادر على محاكاة الموجات الإلكترونية الكمومية بطريقة كان من المستحيل تخيلها من قبل.” الانعطاف والأنفاق ولكن كيف تتجلى قدرة التصوير الرائعة لجهاز QTM؟ لاستخدامه كمجهر ، يضع العلماء طبقة عازلة كهربائيًا بين السطح العلوي والمادة قيد الفحص ، ثم يرسلون تيارًا من الإلكترونات عبر هذه الطبقة. في العالم الذي نعرفه ، تحكمه قوانين الفيزياء الكلاسيكية ، ليس من المفترض أن تعبر الإلكترونات الحاجز الذي أنشأته الطبقة العازلة. لكن في عالم الكم ، يمكن لبعضها على الأقل المرور عبر ظاهرة تُعرف باسم “النفق”. على عكس مجهر الأنفاق القياسي ، حيث لا يمكن للإلكترونات العبور إلا في مكان واحد ، عند طرف الإبرة ، فإن الوصلة التي تم إنشاؤها في مجهر QTM هي سطح ثنائي الأبعاد ، لذلك يمكن للإلكترون أن يختار المرور عبر أماكن متعددة. في العالم الكلاسيكي ، سيعبر كل إلكترون عابر في مكان واحد معين. لكن في عالم الكم ، سوف يجتاز إلكترون واحد جميع الأماكن معًا في نفس الوقت. في مثل هذه العملية ، يمكن للإلكترون أن يحافظ على وجوده كموجة كمومية طالما أنه لا يمكن أن يقال في مكان تقاطعها. لذلك ، يتيح QTM إجراء فحص مباشر للإلكترونات في حالتها الطبيعية في المادة – كموجات كمومية – وليس عن طريق تحويلها إلى جسيمات كما حدث في جميع المجاهر حتى الآن. هذه القدرة تجعل من الممكن فحص شكل تنظيم الإلكترونات في المادة ، ورسم خريطة المادة بنشاط وتشخيص طرق “التداخل” للموجات ، أي كيف تؤثر الموجات على بعضها البعض. يقول إنبار: “سيعطي مجهرنا للعلماء” عدسة “جديدة لفحص وقياس خصائص المواد الكمومية”. “في الواقع ، لقد قمنا بالفعل بفحص بعض المواد الكمومية في درجة حرارة الغرفة باستخدام QTM واكتشفنا ظواهر جديدة ، ولكن عندما نقوم بتبريد هذا المجهر إلى درجات حرارة منخفضة ، سنكون قادرين على تحقيق اكتشافات خارقة حول بعض التأثيرات الكمومية الأكثر إثارة.” عندما ننظر أعمق في العالم الكمومي ، لن نقوم فقط باكتشافات جديدة حول الطبيعة ، ولكن أيضًا نخلق تأثيرات تكنولوجية على حياتنا اليومية. إن عالم الكم يطرق أبوابنا بالفعل مع التقنيات في طور التكوين ، من أجهزة الكمبيوتر الكمومية إلى التحكم الكمي في العمليات الكيميائية. تعد QTM بتسريع وصولها إلى التنفيذ. الإلكترون في رحلة دارة الكم هل يتسبب النفق الكمي في حدوث طفرات جينية؟ تدخل إسرائيل في نادي الحوسبة الكمومية المفاهيم الأساسية في فيزياء الكم: ازدواجية الموجة والجسيم