اكتشاف مائع ديراك في الجرافين يكسر أحد القوانين الأساسية في الفيزياء

أدى اكتشاف مائع ديراك في الجرافين إلى كسر أحد القوانين الأساسية في الفيزياء، حيث كشف أن الإلكترونات يمكنها التدفق مثل سائل شبه عديم الاحتكاك. نجح باحثون في المعهد الهندي للعلوم (IISc)، بالتعاون مع المعهد الوطني لعلوم المواد في اليابان، في رصد هذه الحالة الكمية النادرة داخل طبقة مفردة من ذرات الكربون. يوفر هذا الاختراق، الذي نُشر في دورية Nature Physics، منصة ثورية لاستكشاف الظواهر الكمية المعقدة داخل المختبرات.

لعقود من الزمن، نص قانون فيدمان-فرانز على أن التوصيل الحراري والكهربائي في المعادن يجب أن يكون متناسباً. ومع ذلك، أظهرت اختبارات أجريت على عينات فائقة النقاء من الجرافين في درجات حرارة منخفضة تناقضاً صارخاً مع هذا المبدأ الراسخ. فمع ارتفاع التوصيل الكهربائي لمادة الجرافين، انخفض التوصيل الحراري بشكل غير متوقع.

رصد فريق البحث انحرافات عن القانون التقليدي بمعامل يتجاوز 200 مرة. يسلط هذا التباين الهائل الضوء على انفصال مذهل بين كيفية انتقال الشحنات والحرارة عبر مادة الكربون فائقة النقاء. ويبدو أن كلا النوعين من التوصيل يتبعان ثابتاً كمياً عالمياً مستقلاً تماماً عن المادة نفسها.

يحدث هذا السلوك غير المسبوق عند حد دقيق للغاية يُعرف باسم نقطة ديراك، حيث يمر الجرافين بمرحلة انتقالية بين كونه معدناً وعازلاً. من خلال ضبط عدد الإلكترونات بدقة، أجبر العلماء الجسيمات على التوقف عن التصرف بشكل فردي والتحرك بدلاً من ذلك بشكل جماعي. تشكل هذه الحركة الجماعية مائع ديراك، وهو حالة استثنائية للمادة تتميز بلزوجة منخفضة للغاية.

ووفقاً للباحث الرئيسي في الدراسة، أنيكيت ماجومدار، فإن هذا السلوك الشبيه بالماء يحاكي بلازما الكوارك والجلون، والتي لا تُلاحظ عادة إلا في مسرعات الجسيمات عالية الطاقة مثل تلك الموجودة في المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN). وقاس الفريق مدى سهولة تدفق هذا المائع، ليؤكدوا أنه يمثل أحد أقرب النماذج للسائل المثالي التي تم رصدها في الطبيعة على الإطلاق.

إلى جانب إعادة كتابة مفاهيم الفيزياء، يفتح هذا الاكتشاف الباب أمام تطبيقات عملية للغاية للإلكترونيات من الجيل القادم. تجعل الخصائص الفريدة لمائع ديراك من الجرافين أساساً مثالياً لتطوير مستشعرات كمية فائقة الحساسية. يمكن لهذه الأجهزة المتقدمة نظرياً تضخيم الإشارات الكهربائية الضعيفة جداً التي تعجز التكنولوجيا الحالية عن التقاطها.

علاوة على ذلك، تمتلك هذه المستشعرات القدرة على اكتشاف المجالات المغناطيسية الخافتة بدقة غير مسبوقة. يمهد هذا التطور الطريق لقفزات ثورية في التصوير الطبي، وأنظمة الملاحة، والبنية التحتية الأساسية المطلوبة لتوسيع نطاق الحوسبة الكمومية.

يعد تأكيد وجود مائع ديراك في الجرافين تحولاً تاريخياً لكل من الفيزياء النظرية وتكنولوجيا الكم التجارية. من خلال إثبات أن الإلكترونات يمكنها محاكاة التدفق عديم الاحتكاك لبلازما الكوارك والجلون، نجح فريق المعهد الهندي للعلوم (IISc) فعلياً في تحويل شريحة بسيطة من الكربون إلى جهاز محاكاة مكتبي للفيزياء الفلكية. لم يعد العلماء بحاجة إلى مسرعات جسيمات بمليارات الدولارات لدراسة التشابك الديناميكي الحراري المعقد؛ بل يمكنهم رصد هذه الآليات مباشرة داخل الجرافين.

بالنظر إلى المستقبل، تبدو الآثار التجارية ضخمة بالقدر ذاته. مع تزايد الطلب على الحوسبة الكمومية والمستشعرات المغناطيسية فائقة الدقة، فإن الاستفادة من هذا التدفق الإلكتروني الشبيه بالسائل يمكن أن يقلل بشكل كبير من الضوضاء الحرارية التي تعيق حالياً تطور الأجهزة الكمية. يمثل هذا الاكتشاف خطوة حاسمة نحو جعل التقنيات الكمية أكثر استقراراً وقابلية للتطبيق في العالم الحقيقي.