تجميد الضوء .. علماء نجحوا في تحويل الليزر إلى مادة فائقة الصلابة!

في عالم الكم، لم تعد قواعد الفيزياء الكلاسيكية قابلة للتطبيق. واحدة من أكثر الحالات الرائعة التي تظهر في هذا العالم هي الحالة فائقة الصلابة. وهي حالة من المادة سببت للعلماء نوع من الحيرة والرهبة. ولكن ما هي بالضبط تلك الحالة؟ وكيف تتحدى المبادئ الأساسية للفيزياء الكلاسيكية؟

تحمل المادة الصلبة الفائقة خصائص لطالما اعتقدنا بتناقضها وهي، صلابة المادة الصلبة وسيولة المادة السائلة في آن واحد. قد يبدو هذا مفارقة، لكن هذا بالضبط ما تفعله المواد فائقة الصلابة. فهي تشبه بلّورات الملح، ولكن مع اختلاف رئيسي، إذ يمكن لجزيئاتها أن تتحرك بحُرّية، مثل السائل، دون أي لزوجة أو مقاومة.

يعود مفهوم المواد فائقة الصلابة إلى ستينيات القرن العشرين، عندما اقترح الفيزيائيون لأول مرة فكرة حالة المادة التي تجمع بين خصائص المواد الصلبة والسوائل. ومع ذلك، لم يتم ملاحظة أول دليل تجريبي على تلك المواد إلا في التسعينيات. منذ ذلك الحين، يحاول الباحثون إنشاء ودراسة المواد الصلبة الفائقة، لكنهم اقتصروا على استخدام الذرات كوحدات بناء.

عصر جديد في أبحاث المواد فائقة الصلابة

لأكثر من عقد من الزمن، كان العلماء مفتونين بالمواد فائقة الصلابة. حتى الآن، كانت جميع المواد فائقة الصلابة تُصنع باستخدام الذرات، مما يتطلب درجات حرارة شديدة البرودة لإظهار خصائصها الفريدة. ومع ذلك، فإن التقدم الأخير قد حطم هذا القيد، وأجبر ضوء الليزر على التحول إلى حالة فائقة الصلابة لأول مرة.

لفهم أهمية هذا الاكتشاف، دعونا نعود خطوة إلى الوراء ونلقي نظرة على تاريخ أبحاث المواد فائقة الصلابة. في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، أثبت العلماء لأول مرة وجود تلك المواد عن طريق تبريد الهيليوم إلى درجات حرارة منخفضة للغاية. ومنذ ذلك الحين، يعمل الباحثون على فهم وتسخير خصائص هذه المواد الغريبة. ومع ذلك، فإن إنشاء المواد الصلبة الفائقة يتطلب دائمًا إعدادات تجريبية معقدة ودقيقة، مما يحد من تطبيقاتها المحتملة.

تجربة تجميد الضوء

تخيل إطلاق شعاع ليزر على بلورة مصممة خصيصًا، وبدلاً من مرور الشعاع عبر البلورة، يبدأ الضوء في التصرف مثل مادة صلبة. هذا بالضبط ما حققه فريق من العلماء في تجربتهم الرائدة.

استخدم الباحثون خدعة ذكية لحصر الضوء داخل بنية محددة. لقد صنعوا قطعة من مادة: “جاليوم أرزينيد” ذات نتوءات مصممة بعناية. عندما ضرب شعاع الليزر النتوءات، تفاعل مع المادة لتكوين “بولاريتونات” وهي جسيمات هجينة عبارة عن ضوء ومادة.

ومن خلال تقييد البولاريتونات داخل النتوءات، تمكن العلماء من التلاعب بسلوكها، وإجبارها على تشكيل مادة صلبة فائقة. كان على الباحثين أن يوازنوا بعناية بين شدة شعاع الليزر ودرجة حرارة المادة وتصميم النتوءات لتحقيق النتيجة المرجوة.

خصائص المادة فائقة الصلابة

لقد فتحت المادة الصلبة الفائقة المصنوعة حديثًا كنزًا من الخصائص الرائعة، مما يوفر للعلماء فرصة فريدة للتعمق أكثر في عالم الكم. إحدى السمات الأكثر لفتًا للانتباه لهذه المادة فائقة الصلابة هي غياب لزوجتها، مما يعني أنها يمكن أن تتدفق دون أي مقاومة أو احتكاك.

كما تُظهِر المادة الصلبة الفائقة المصنوعة من الضوء أيضًا سلوكًا غريبًا يُعرف باسم “القصور الذاتي الدوراني غير الكلاسيكي”. بعبارات بسيطة، عندما تقوم بتدوير جسم عادي، فإنه سيدور حول محوره مثل الكرة. ولكن عندما تقوم بتدوير المادة الصلبة الفائقة المصنوعة من الضوء، فإنها ستدور، ولكن ليس حول محورها تمامًا. هذا السلوك الغريب هو نتيجة مباشرة للتأثيرات الكمومية، مما يجعله كيانًا غريبًا حقًا.

التطبيقات المستقبلية والتأثير

يفتح التصنيع الناجح لمادة فائقة الصلابة، خفيفة الوزن عالمًا من الإمكانيات للأبحاث والتطبيقات المستقبلية. من أهم مزايا استخدام الضوء بدلاً من الذرات هو سهولة التعامل معه والتحكم فيه. ويمكن أن يؤدي ذلك إلى تطوير تقنيات أكثر كفاءة ودقة. على سبيل المثال، يمكن استخدام المواد فائقة الصلابة في المستقبل، لإنشاء أجهزة بصرية فائقة الكفاءة، قادرة على نقل البيانات بسرعات غير مسبوقة.

وهناك تطبيق محتمل آخر يكمن في مجال الحوسبة الكمومية. إذ يمكن استخدام المواد فائقة الصلابة المصنوعة من الضوء لإنشاء كيوبتات كمومية أكثر استقرارًا وكفاءة. وهي الوحدات الأساسية للمعلومات الكمومية. ويمكن أن يؤدي ذلك إلى تطوير أجهزة كمبيوتر كمومية أكثر قوة وموثوقية، قادرة على حل المشكلات المعقدة التي لا يمكن حلها حاليًا.

المصادر:

Laser light made into a supersolid for the first time

Emerging supersolidity in photonic-crystal polariton condensates | Nature