تمتلك الحواسيب الكمومية إمكانات هائلة، لكن مستقبلها العملي يعتمد على إتقان التحكم في الحالات الإلكترونية المعقدة والمتنافسة داخل المواد الكمومية. وفي دراسة رائدة نُشرت في دورية Nature Physics، نجح فريق دولي من الباحثين بقيادة معهد MIT في مراقبة كيفية إعادة بناء هذه الحالات الدقيقة لنفسها بعد قصفها بنبضات الليزر، مما كشف عن آلية تشبه إلى حد كبير تجمد الماء وتحوله إلى جليد.
ركز الباحثون على مادة تريتيلوريد الإربيوم (Erbium tritelluride)، وهي مادة أرضية نادرة قادرة على استضافة طورين كموميين متمايزين في وقت واحد يُعرفان باسم موجات كثافة الشحنة (Charge density waves). وأوضح الفيزيائي Yifan Su أن "موجات كثافة الشحنة، تماماً مثل الموصلية الفائقة، هي ظاهرة جماعية تتحرك فيها الإلكترونات معاً بطرق معينة". وتُطوّر المادة موجة كثافة الشحنة الأولى والمهيمنة عند درجة حرارة تقل عن -8 درجات مئوية (18 درجة فهرنهايت).
بينما يظهر الطور الثاني بشكل عمودي على الأول عند درجة حرارة تقل عن -113 درجة مئوية (-171 درجة فهرنهايت)، مما يخلق نمطاً مجهرياً يشبه رقعة الشطرنج لكثافة الإلكترونات. ونظراً لأن هذه الأطوار المتعايشة لا تظهر إلا في درجات حرارة شديدة البرودة ويصعب دراستها في حالة التوازن الطبيعية، احتاج الفريق إلى طريقة ديناميكية لمراقبة تكوينها.
اضطراب النبضات الليزرية المزدوجة
لالتقاط عملية انتقال الطور (Phase transition) أثناء حدوثها، استخدم الفريق "ضربة مزدوجة" من نبضات الليزر القصيرة والمكثفة. أدت النبضة الأولى إلى تحطيم نظام رقعة الشطرنج للأطوار الإلكترونية، مما أجبرها على إعادة البناء من الصفر. بينما عملت النبضة الثانية كأداة قياس عالية السرعة لتتبع عملية التعافي.
وكشفت النتائج عن آليات تكوين مختلفة جذرياً لكلا الطورين. ففي حين عاد الطور المهيمن بشكل تدريجي وموحد، عاد الطور الثانوي للظهور في جيوب معزولة انتشرت ببطء عبر المادة. ويحاكي هذا السلوك بشكل مباشر طريقة تبلور الجليد وتمدده عند تجمد الماء.
وأشار الفيزيائي Nuh Gedik إلى أن "أحد أكبر الأسئلة في الفيزياء هو لماذا تستضيف بعض المواد أطواراً متعددة بينما لا تفعل مواد أخرى ذلك". يُعد فهم ما إذا كانت هذه الأطوار تعزز بعضها البعض، أو تتنافس، أو تتعايش بشكل مستقل أمراً بالغ الأهمية لإطلاق العنان للخصائص الغريبة في الأنظمة الأكثر تعقيداً، مثل الموصلات الفائقة في درجات الحرارة العالية.
يعتقد الناس أن حجر الزاوية لاستبدال السيليكون يكمن في المواد الكمومية التي تحتوي على أطوار متعددة متعايشة. وتوفر تجربتنا طريقة دقيقة للغاية لدراسة هذه الأطوار المتعددة.
- ألفريد زونغ، جامعة Stanford
خارطة الطريق لحوسبة ما بعد السيليكون
يُعد اكتشاف أن الأطوار الكمومية الثانوية تتبلور مثل الجليد بدلاً من التشكل بشكل موحد بمثابة حلقة مفقودة بالغة الأهمية لعلوم المواد. فإذا تمكن المهندسون من فهم كيفية تشكل هذه الجيوب المعزولة وانتشارها بدقة، فمن الناحية النظرية يمكنهم تصميم مواد اصطناعية "تتجمد" في حالات كمومية مرغوبة عند الطلب.
يمثل هذا المستوى من التحكم الدقيق الشرط الأساسي لتجاوز شرائح السيليكون التقليدية. وفي حين تتطلب الحواسيب الكمومية الحالية بنية تحتية ضخمة ومتخصصة للتبريد للحفاظ على هذه الحالات الدقيقة، فإن رسم خريطة دقيقة لعملية تبلور موجات كثافة الشحنة يقرب الصناعة خطوة إضافية نحو هندسة مواد كمومية مستقرة ومتعددة الأطوار يمكنها العمل في بيئات عملية في المستقبل.
