Discovery of a non-Hermitian phase transition in a bulk condensed-matter system

في عالم الفيزياء، عادة ما تستقر المواد في حالة من التوازن. فعندما يبرد مغناطيس ما، تصطف ذراته الداخلية بترتيب محدد، وتتغير خصائص المادة بطريقة يمكن التنبؤ بها. هذا هو الانتقال الطوري، وهو تحول جوهري يحدث بينما يظل النظام في حالة توازن حراري، وهي حالة تتوزع فيها الطاقة بالتساوي وتبدو فيها قوانين الفيزياء متشابهة سواء تحرك الزمن للأمام أو للخلف. لعقود من الزمن، درس العلماء هذه التحولات لفهم كيفية سلوك المادة تحت ظروف مختلفة، من تجمد الماء إلى الموصلية الفائقة للمعادن. ومع ذلك، فإن الطبيعة تحمل أيضاً حالات بعيدة عن هذا التوازن الهادئ. فعندما يتم دفع نظام ما بقوة بواسطة قوة خارجية، مثل دفعة من الضوء، يمكنه الدخول في حالة فوضوية غير متوازنة، حيث يتم ضخ الطاقة وفقدانها باستمرار. في هذه الظروف القصوى، تنهار قواعد التماثل المعتادة، مما يفتح الباب أمام أنواع جديدة تماماً من السلوكيات التي لا يمكن أن توجد في نظام هادئ ومستقر.

لقد تمكن فريق من الباحثين الآن من رصد أحد هذه السلوكيات المراوغة في كتلة صلبة من مادة، وهو اكتشاف يجسّر الفجوة بين الفيزياء النظرية وعالم المادة المكثفة الملموس. ومن خلال العمل على بلورة من أكسيد الأوروبيوم، وهو شبه موصل فيرومغناطيسي، استخدم العلماء نبضات ليزر فائقة السرعة لهز المادة وإخراجها من حالة التوازن. ومن خلال قياس كيفية انعكاس الضوء من البلورة بدقة عبر الزمن، لاحظ العلماء تحولاً دراماتيكياً في كيفية استرخاء المادة للعودة إلى حالة السكون. وعند درجات حرارة معينة، تغير استجابة المادة من اضمحلال بسيط يمكن التنبؤ به إلى نمط تذبذبي معقد يتحدى القواعد القياسية لفيزياء التوازن. ويمثل هذا الانتقال وصول انتقال طوري غير هيرميتي (non-Hermitian)، وهي ظاهرة يتغير فيها جوهر ديناميكيات المادة عند نقطة حرجة، مما يخلق حالة جديدة من المادة تُعرف بحركتها بدلاً من هيكلها الساكن.

أُجريت التجربة في مختبر حيث تم تبريد بلورة واحدة من أكسيد الأوروبيوم إلى درجات حرارة مختلفة، تتراوح من قرب الصفر المطلق إلى درجة حرارة الغرفة. أطلق الباحثون نبضة قصيرة وكثيفة من ضوء الليزر على البلورة، والتي عملت مثل مطرقة تضرب جرساً، مما أدى إلى دفع الإلكترونات خارج مواضعها المستقرة وإرسالها إلى حالة طاقة أعلى. خلق هذا تجمعاً مؤقتاً من الجسيمات المثارة داخل المادة. ولمعرفة ما سيحدث بعد ذلك، أطلقوا نبضة ضوئية ثانية أضعف على البلورة بعد جزء ضئيل جداً من الثانية، وقاسوا مقدار الضوء المرتد. ومن خلال تكرار هذه العملية بتأخيرات زمنية مختلفة وعند درجات حرارة مختلفة، صنعوا فيلماً لعملية تعافي المادة.

عند درجات الحرارة المنخفضة، تصرفت البلورة بطريقة مألوفة لعلماء الفيزياء. فقد استرخت الإلكترونات المثارة عائدة إلى حالتها الأرضية عبر مسارين متميزين ومستقلين، مما جعل إشارة الضوء المنعكس تتلاشى في منحنى أسي مزدوج سلس. وهذا سلوك نموذجي لنظام تتبدد فيه الطاقة بطريقة مباشرة. ومع ذلك، مع رفع الباحثين لدرجة الحرارة، حدث تحول غريب. فعند عتبة محددة تبلغ 84 كلفن، اندمج المساران المنفصلان للاضمحلال فجأة في مسار واحد. وبدلاً من التلاشي بسلاسة، بدأت الإشارة في التذبذب، صعوداً وهبوطاً في نمط معقد لا يمكن وصفه إلا بمعدل اضمحلال واحد معقد. وهذه النقطة الحرجة، حيث انهارت أنماط السلوك المتميزة في نمط واحد، تُعرف بالنقطة الاستثنائية (exceptional point)، وهي تشير إلى بدء انتقال طوري غير هيرميتي.

لق l كان الباحثون حذرين في استبعاد التفسيرات الأخرى الممكنة لهذا السلوك الغريب. فقد نظروا فيما إذا كان التغير السالب الذي لاحظوه يمكن أن يكون ناتجاً عن تأثيرات شائعة مثل إعادة اتحاد الإلكترونات والثقوب بطريقة تقلل من عدد الجسيمات الباعثة للضوض، أو بسبب الاهتزازات في الشبكة البلورية. ووجدوا أن أيًا من هذه الآليات القياسية لا يمكن أن يفسر الطريقة المحددة التي تغيرت بها الإشارة مع درجة الحرارة أو شدة نبضة الليزر. النموذج الوحيد الذي ناسب البيانات تماماً كان نموذجاً يأخذ في الاعتبار التفاعل الفريد بين الإلكترونات المثارة والعزوم المغناطيسية لذرات الأوروبيوم. في هذا النموذج، يمكن للإلكترونات المثارة أن تقلب دورانها المغزلي (spin)، لتتحول إلى حالة "مظلمة" لا يمكنها إصدار ضوء، ثم تعود لتقلب دورانها مرة أخرى. ويتم إمالة التوازن بين هاتين الحالتين بواسطة درجة الحرارة، وعند النقطة الحرجة، يفقد النظام قدرته على التمييز بين الاثنين، مما يؤدي إلى الديناميكيات المعقدة المرصودة.

إن هذا الاكتشاف مهم لأنه يثبت أن هذه الانتقالات الطورية الغريبة ليست مجرد فضول نظري محصور في أنظمة صغيرة ومعزولة مثل الذرات في الفراغ أو الفوتونات في تجويف. بل يمكن أن تحدث في مادة صلبة ضخمة، مادة يمكنك الإمساك بها بيدك. وتظهر الدراسة أنه من خلال دفع المادة بعيداً عن حالة التوازن، يمكن للعلماء الوصول إلى نظام جديد من الفيزياء حيث تُحكم ديناميكيات النظام بقواعد مختلفة. يحدث الانتقال عند درجة حرارة تختلف عن نقطة الترتيب المغناطيسي المعتادة للمادة، مما يشير إلى أن هاتين الظاهرتين، رغم ارتباطهما، مختلفتان جوهرياً. ووجد الباحثون أن النقطة التي يحدث عندها هذا الانتقال ليست ثابتة؛ إذ يمكن تغييرها عن طريق تغيير شدة نبضة الليزر، مما يوفر طريقة لضبط خصائص المادة باستخدام الضوء.

تمتد آثار هذا العمل إلى ما هو أبعد من البلورة المحددة المستخدمة في التجربة. فالإطار النظري الذي وضعه الفريق يشير إلى أن انتقالات مماثلة قد توجد في مجموعة واسعة من المواد الأخرى التي تحتوي على مكونات مقترنة، مثل أنواع مختلفة من الإثارات أو الدورات المغزلية. وإذا أمكن التحكم في هذه الانتقالات، فقد توفر طريقة حساسة للغاية للتحكم في الخصائص الديناميكية للمواد، مما قد يؤدي إلى تقنيات جديدة للتحكم في الضوء والمغناطيسية. وفي الوقت الحالي، يقف هذا الاكتشاف كدليل واضح على أن القوانين الفيزيائية التي تحكم العالم الهادئ والمتوازن هي جزء واحد فقط من القصة. ففي عالم عدم التوازن الفوضوي والمندفع، يمكن للمادة أن تتخذ أشكالاً جديدة، وتكشف عن سلوكيات غنية ومعقدة بقدر تعقيد المواد نفسها.