قفزة في تكنولوجيا الكم: علماء ينجحون في استقرار طور جديد ومفقود للمادة

نجح علماء في استقرار طور جديد للمادة كان يُعد غامضاً ولم يُرصد من قبل، في إنجاز قد يغير مسار الحوسبة الكمية جذرياً. ومن خلال هندسة جسيمات الفضة النانوية (Silver nanoparticles) المخصصة، تمكن باحثون من جامعة Brown University وجامعة University of Michigan من التقاط حالة بلورية انتقالية نادرة كانت موجودة سابقاً في النماذج النظرية فقط.

ويحل هذا الاختراق، الذي نُشر في مجلة Science، لغزاً طال أمده حول كيفية انتقال المعادن بين الهياكل الذرية المختلفة. وإلى جانب الإجابة على أسئلة جوهرية في علم المواد، تُظهر المادة المبتكرة سلوكاً بصرياً غير اعتيادي يمكن أن يشكل الأساس للجيل القادم من تقنيات المعلومات الكمية.

لالتقاط هذه الحالة الهيكلية العابرة، قام فريق البحث بتصنيع جسيمات فضة نانوية متخصصة على شكل مجسمات ثمانية السطوح مقطوعة، أطلقوا عليها اسم "Mecons". وتتميز هذه الجسيمات المخصصة بهندسة ذات 14 وجهاً تشبه حجر الألماس المقطوع من زواياه.

ويُعد هذا الشكل الهندسي حاسماً لأنه يسد الفجوة بين الشكل الكروي والمكعب، مما يسمح للجسيمات بالتراص معاً بطرق جديدة كلياً. وقام الفريق، بقيادة الباحث الرئيسي ياساتاكا ناغاوكا، بضبط ظروف التسخين بدقة للتحكم في درجة استدارة هذه الجسيمات وخصائصها المكعبة.

يشبه عملنا إلى حد ما لعب الأطفال بمكعبات LEGO. نحن نصنع كتل بناء نانوية فريدة ونقوم بتكديسها في هياكل مثيرة للاهتمام.

- أو تشين، أستاذ الكيمياء المشارك، جامعة Brown University

بعد ذلك، قام الباحثون بتغليف الجسيمات بسلاسل جزيئية طويلة. وعملت هذه الأغلفة كروابط مرنة ولزجة، مما سمح لجسيمات "Mecons" بالتجمع الذاتي في هياكل ضخمة ومنظمة تُعرف باسم الشبيكات الفائقة (Superlattices).

تنظم معظم المواد المعدنية ذراتها في واحد من ترتيبين بلوريين رئيسيين: مكعب مركزي الوجه (FCC) أو مكعب مركزي الجسم (BCC). وفي هيكل FCC، تتراص الجسيمات بأكبر قدر ممكن من الكثافة، بينما تكون هياكل BCC أقل كثافة بقليل.

ويمكن للمعادن التبديل بين هذه الحالات تحت درجات الحرارة القصوى. على سبيل المثال، يتحول الحديد من هيكل BCC إلى هيكل FCC عند 912 درجة مئوية تحديداً. ولعقود من الزمن، اعتمد العلماء على مسار نيشياما-واسرمن، وهو نموذج نظري يتنبأ بسلسلة من الهياكل الوسيطة غير المستقرة وقصيرة العمر أثناء هذا التحول.

وأوضح تيم مور، الباحث المساعد في جامعة University of Michigan، أن "علماء المواد اهتموا لفترة طويلة بكيفية التحكم في كمية FCC وBCC في معادنهم، لكن دراسة التحولات بين هذه الأطوار كانت صعبة للغاية بسبب عدم استقرارها الشديد". ومن خلال استخدام الشعيرات الجزيئية المرنة على الجسيمات، نجح الفريق في تثبيت هذه الهياكل الانتقالية العابرة في حالة مستقرة وقابلة للرصد.

حدث الاكتشاف الأهم عند تعريض الشبيكات الفائقة الفضية المجمعة حديثاً للضوء. فقد لاحظ الباحثون علامات واضحة على اقتران عميق وقوي بين الضوء والمادة، وهي ظاهرة تتذبذب فيها الإلكترونات داخل جسيمات الفضة النانوية بتزامن مثالي مع موجات الضوء.

ويؤدي هذا التزامن إلى دخول الإلكترونات والضوء في حالة التشابك الكمي (Quantum entanglement). وتاريخياً، كان تحقيق هذا المستوى من التفاعل البصري الكمي يتطلب درجات حرارة قاسية تقترب من الصفر المطلق.

وبشكل لافت، تُظهر الشبيكات الفائقة الفضية الجديدة سلوك الاقتران العميق هذا في درجة حرارة الغرفة. وتفتح هذه الخاصية المحددة مساراً واقعياً لتطوير مواد متقدمة للاستشعار والحوسبة الكمية دون الحاجة إلى البنية التحتية الضخمة للتبريد التي تتطلبها الصناعة حالياً.

يُعد استقرار هذا الطور الجديد للمادة أكثر من مجرد انتصار أكاديمي؛ فهو يستهدف مباشرة أكبر عقبة فيزيائية في صناعة الحوسبة الكمية. وتتطلب المعالجات الكمية الرائدة اليوم ثلاجات تخفيف ضخمة ومستهلكة للطاقة للحفاظ على درجات حرارة أبرد من الفضاء العميق لمجرد الحفاظ على استقرار البتات الكمية.

ومن خلال إثبات أن الاقتران العميق بين الضوء والمادة يمكن أن ينجو في درجة حرارة الغرفة داخل هذه الشبيكات الفائقة الفضية، يقدم هذا البحث مخططاً ملموساً لتقنيات الكم "الدافئة". وإذا أمكن توسيع نطاق هذه الهياكل النانوية ودمجها في رقائق تجارية، فقد ينقل ذلك الحوسبة الكمية من الحواسيب المركزية الضخمة في المختبرات إلى أجهزة قابلة للنشر في درجات الحرارة العادية.

علاوة على ذلك، تثبت تقنية التصنيع من الأسفل إلى الأعلى، باستخدام الجسيمات النانوية المغلفة جزيئياً ككتل بناء نانوية، أننا لم نعد مضطرين للاعتماد حصرياً على الأطوار البلورية التي تحدث بشكل طبيعي. ومن المرجح أن تؤدي القدرة على هندسة وتجميد الحالات الانتقالية عند الطلب إلى إطلاق موجة جديدة من المواد الخارقة الكمية المصممة خصيصاً لمهام بصرية وحسابية محددة.