نجح باحثون في هندسة بحر فيرمي الجزئي (Fractional Fermi sea)، وهو طور جديد كلياً من المادة الكمومية، عبر التلاعب بالذرات عند درجات حرارة تزيد بأجزاء من المليار من الدرجة عن الصفر المطلق. في هذه المقاييس القاسية التي تُقاس بوحدة نانو كلفن، تتغير القوانين الأساسية للفيزياء، مما يسمح للجسيمات بتوصيل الكهرباء دون مقاومة أو التدفق صعوداً عكس الجاذبية. ويدفع هذا الاختراق الأخير حدود المحاكاة الكمومية، كاشفاً عن أنظمة خفية في الهياكل الذرية كان يُعتقد سابقاً أنها مستحيلة.
ولفهم أهمية هذا الاكتشاف، يجب النظر إلى العائلتين الأساسيتين للجسيمات: البوزونات والفرميونات. يمكن للبوزونات، مثل الفوتونات، أن تتشارك نفس الحالة الكمومية، مما يسمح بوجود عدد لا نهائي من البوزونات التي تتداخل وتتصرف كموجات متماسكة. أما الفرميونات، التي تشمل الإلكترونات والكواركات، فتخضع بصرامة لمبدأ استبعاد باولي ولا يمكنها التداخل. وتمثل هذه الحالة الجزئية الجديدة منطقة وسطى غريبة حيث تكون الحالات الكمومية مشغولة جزئياً فقط.
بوتقة النانو كلفن
بدأت العملية التجريبية بتبريد حوالي 70 ألف ذرة من السيزيوم لإنشاء غاز بوز (Bose gas)، وهي حالة مشابهة لـ تكاثف بوز-أينشتاين حيث تفقد الذرات هوياتها الفردية. ثم قام الفريق بحبس هذا الكيان الغامض داخل أنابيب أحادية البعد باستخدام شبكة بصرية (Optical lattice) ثنائية الأبعاد، وهي شبكة معقدة من أشعة الليزر المصممة لاحتجاز الذرات ومراقبتها.
وبمجرد احتجازها، أخضع الباحثون المادة لدورات تفاعل سريعة ومتكررة. وأجبروا الذرات المكونة على التبديل المستمر بين التنافر الشديد والتجاذب القوي. وعلى عكس المتوقع، لم تؤدِ هذه النبضات المغناطيسية العنيفة إلى تدمير النظام أو تشتيت الجسيمات بشكل عشوائي.
وأوضح يي زينغ، المؤلف الرئيسي وعالم فيزياء المادة المكثفة في جامعة University of Innsbruck، قائلاً: "بدلاً من مجرد تسخين النظام، تعيد دورة التفاعل تنظيم الذرات في حالة جديدة متعددة الأجسام".
هذه الحالة مُثارة بدرجة عالية، لكنها ليست عشوائية على الإطلاق. إنها تمتلك نظاماً خفياً يتجلى بوضوح في ارتباطاتها.
- هانز كريستوف نيجرل، أستاذ الفيزياء الكمومية التجريبية، جامعة University of Innsbruck
وجاء الدليل القاطع على هذا الطور الجديد في شكل تذبذبات فريدل (Friedel oscillations)، وهي تموجات مميزة تُعد الدليل الدامغ على وجود بحر فيرمي الجزئي. وتتسم هذه التفاعلات بتعقيد فريد لدرجة أن الباحثين لا يزالون يتناقشون حول المصطلحات المناسبة، حيث اقترح نيجرل إطلاق اسم الفرميونات الفائقة (Super-Fermions) على أشباه الجسيمات (Quasiparticles) المتشكلة حديثاً.
القفزة الكمومية لتقنيات التشفير المستقبلية
رغم أن إنشاء بحر فيرمي الجزئي داخل أنبوب ليزر أحادي البعد وخاضع لرقابة صارمة قد يبدو مجرد انتصار أكاديمي مجرد، إلا أن تداعياته على صناعة التقنية عميقة للغاية. يتمثل التحدي الأساسي في الحوسبة الكمومية الحديثة في هشاشة البتات الكمومية؛ إذ من الصعب للغاية الحفاظ على الحالات الكمومية دون أن يتسبب التداخل البيئي في انهيارها.
ومن خلال إثبات إمكانية إجبار الجسيمات على اتخاذ حالة مُثارة للغاية ولكنها شديدة التنظيم عبر التنافر والتجاذب الدوري، يفتح هذا البحث مساراً جديداً لاستقرار المعلومات الكمومية. وإذا تمكنت الفرميونات الفائقة من الحفاظ على ارتباطاتها الخفية تحت الضغط، فقد تشكل البنية التحتية الأساسية للجيل القادم من المستشعرات الكمومية. وهذا المستوى من معالجة البيانات عالية الدقة هو بالضبط ما يُطلب لتحويل التشفير الكمومي النظري إلى شبكات قابلة للنشر وغير قابلة للاختراق لخدمة مجالات الطب الحيوي والاتصالات العالمية.
