Competing triangular and stripe supersolid orders in a dipolar quantum gas
تُثبت هذه الدراسة تجريبياً تشكّل وانتقال بين رتب "المادة فائقة الميوعة والصلابة" (supersolid) المثلثية والمخططة المتنافسة في غاز كمي ثنائي الأبعاد ثنائي القطب، وتُوصّف سلوكها الحرج وتلاحظ كلا الطورين في النطاقين المتماسك وغير المتماسك لإنشاء منصة متعددة الاستخدامات لاستقصاء ظواهر كسر التماثل المتشابكة.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في أكثر بقاع الكون برودة، حيث تتباطأ الذرات بما يكفي لتتصرف ككيان واحد موحد، تكشف الطبيعة عن حالات للمادة تتحدى إدراكنا اليومي. ومن بين أكثر هذه الحالات إثارة للدهشة هي "الصلبة الفائقة" (supersolids)، وهي طور متناقض حيث تتصرف المادة كبلورة صلبة ذات نمط متكرٍ وثابت، ومع ذلك تتدفق في الوقت ذاته كسائل فائق (superfluid) بـدون احتكاك. لعقود من الزمن، سعى الفيزيائيون لإنشاء وفهم هذه المواد الغريبة، التي تجمع بين نظام الشبكة وانسيابية النهر. وبينما نجح العلماء في صنع مواد صلبة فائقة في خطوط أحادية البعد، فإن العالم ثنائي الأبعاد وعد بآفاق أكثر ثراءً بالاحتمالات، حيث يمكن للأشكال البلورية المختلفة أن تتنافس وتتحول إلى بعضها البعض. إن فهم كيفية تشكل هذه الهياكل وتفاعلها ليس مجرد مسألة فضول؛ بل يوفر مختبراً نقياً لدراسة كيفية ظهور وتصادم أنواع مختلفة من النظام في الأنظمة المعقدة، وهي ظاهرة تكمن وراء الكثير من السلوكيات المشاهدة في كل شيء، من المغناطيسات إلى المادة البيولوجية النشطة.
لقد خطا فريق من الباحثين في جامعة هايدلبرغ الآن خطوة داخل هذا المجال المعقد ثنائي الأبعاد، حيث نجحوا في إنشاء والتمييز بين شكلين متنافسين من نظام الصلابة الفائقة في غاز من الذرات شديدة المغناطيسية. ومن خلال التحكم بدقة في قوة تفاعلات الذرات والزاوية التي تشير بها ثنائيات أقطابها المغناطيسية، قاد العلماء الغاز عبر انتقال من سائل منتظم إلى حالة تنظم فيها الذرات نفسها في أنماط متميزة. وقد لاحظوا أن الغاز نظم نفسه تلقائياً في شكلين مختلفين: شبكة مثلثية من القطرات وخطوط متوازية. والأهم من ذلك، وجدوا أن هذه الهياكل يمكن أن توجد في حالتين مختلفتين من الحركة؛ ففي بعض الظروف، حافظت الذرات على إيقاع مثالي ومتزامن عبر السحابة بأكملها، تتدفق دون مقاومة مع الحفاظ على شكلها، بينما في ظروف أخرى، استقرت الذرات في مكانها، وفقدت قدرتها على التدفق لتصبح بلورة عازلة صلبة.
بدأت التجربة بسحابة مكونة من حوالي 140,000 ذرة من الديسبروزيوم، بُرِّدت إلى درجة حرارة بلغت 62 نانو كلفن فقط، وهي حالة من البرودة تجعل الذرات تتصرف كموجة كمية واحدة. كانت هذه الذرات محبوسة في حاوية ضحلة تشبه لوح التزلج، أنشئت بواسطة أشعة الليزر. وللتحكم في الذرات، طبق الباحثون مجالاً مغناطيسياً يمكنهم إمالته وتقويته؛ حيث حددت قوة المجال مدى قوة تنافر الذرات مع بعضها البعض، بينما غيرت زاوية الميل اتجاه توجهها المغناطيسي. ومن خلال ضبط هذين "المقبضين" ببطء على مدار 100 مللي ثانية ثم تثبيت النظام لمدة 30 مللي ثانية، سمح الفريق للغاز بالاستقرار في أشكاله الجديدة ذاتية التنظيم. ثم التقطوا لقطات لكثافة الغاز، مما كشف عن مشهد يتغير بشكل دراماتيكي اعتماداً على الإعدادات.
عندما كانت ثنائيات الأقطاب المغناطيسية مصطفة رأسياً، شكل الغاز مصفوفة مثلثية من القطرات، تشبه خلية نحل من الجزر الصغيرة. ومع قيام الباحثين بإمالة المجال المغناطيسي، بدأ النمط يتمدد ويتشوه. وفي الزوايا المتوسطة، دخل النظام في نظام حرج فوضوي، حيث لم تستطع الذرات أن تقرر ما إذا كانت ستشكل مثلثات أم خطوطاً. في هذه المنطقة، تذبذبت الأنماط بعنف من تجربة إلى أخرى، مما أظهر علامات على التنافس الشديد بين النظامين الهيكليين. وعند زيادة الميل بشكل أكبر، انهارت الجزر المثلثية إلى خطوط طويلة متوازية تمتد عبر المصيدة. لم يكن هذا الانتقال مجرد تغيير بصري؛ فقد طور الباحثون طريقة إحصائية لقياس "النظام" في الأنماط، مؤكدين أن الغاز كان ينتقل بالفعل بين طورين هيكليين متميزين.
ربما كان الاكتشاف الأكثر أهمية هو كيفية سلوك هذه الهياكل فيما يتعلق بالتدفق. فمن خلال تحرير المصيدة وترك الغاز يتمدد، استطاع الباحثون معرفة ما إذا كانت الذرات تتحرك في انسجام؛ ففي الطورين المثلثي والخططي القريبين من بداية الانتقال، تداخلت الذرات مع بعضها البعض لتخلق أنماطاً واضحة وقابلة للتكرار، مما أثبت أن السحابة بأكملها تتحرك كسائل واحد متماسك — وهو ما يمثل "صلابة فائقة" حقيقية. ومع ذلك، عندما أصبح تعديل الكثافة أقوى وازدادت كثافة الذرات، تلاشى هذا التماسك العالمي؛ حيث أصبحت أنماط التداخل فوضوية وغير متوقعة، مما يشير إلى أن الذرات قد فقدت إيقاعها الجماعي وأصبحت عالقة في مكانها، مكونة بلورة عازلة. وقد سمح هذا للفريق برسم مخطط طوري كامل حيث يمكن لنفس المادة أن تكون صلباً فائقاً متدفقاً أو عازلاً صلباً، اعتماداً على مدى إحكام حزمها وكيفية إمالة المجال المغناطيسي.
توفر هذه النتائج منصة متعددة الاستخدامات لاستكشاف كيفية تداخل أنواع مختلفة من كسر التماثل. لقد أظهر الباحثون أنه بمجرد إمالة مجال مغناطيسي، يمكنهم التنقل عبر مشهد غني من الحالات، من سائل منتظم إلى صلب فائق مثلثي، ثم إلى صلب فائق خطي، وصولاً أخيراً إلى بلورة عازلة. وقد اتسم الانتقال بين الشكلين المثلثي والخططي بتذبذبات معززة، وهي علامة على أن النظام كان يصارع للاختيار بين نظامين متنافسين. وبينما تظل الطبيعة الدقيقة للنقطة الحرجة بين هذه الأطوار موضوعاً لمزيد من الدراسة، فقد أثبتت التجربة بشكل قاطع وجود هذه الأنظمة المتنافسة وإمكانية التحكم فيها. ويفتح هذا العمل الباب أمام استقصاء كيفية تفاعل خصائص السيولة الفائقة مع الهياكل البلورية في بعدين، مما يقدم رؤى جديدة حول القوانين الأساسية التي تحكم السوائل الكمية المعقدة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.