Quantum motility-induced phase separation

في عالم الفيزياء الصاخب، هناك فئة من المواد تُعرف بالمادة النشطة (active matter). وخلافًا لتل من الرمال أو كوب من الماء، اللذين يظلان ساكنين ما لم يتم دفعهما من الخارج، تتكون المادة النشطة من جزيئات صغيرة تتحرك من تلقاء نفسها. هذه الجزيئات، التي يمكن أن تكون بكتيريا، أو روبوتات اصطناعية، أو حتى أسرابًا من الطيور، تستهلك الطاقة باستمرار لتدفع نفسها للأمام. وعندما تتجمع كفاية من هذه الجزيئات ذاتية الحركة، فإنها لا تتحرك بشكل عشوائي فحسب؛ بل تنظم نفسها. أحد أكثر الطرق إثارة للتنظيم هو ظاهرة تُسمى "الانفصال الطوري الناجم عن الحركية" (motility-induced phase separation). تخيل غرفة مزدحمة حيث يحاول الجميع السير في اتجاه معين. إذا أصبح الحشد كثيفًا جدًا، يتباطأ الناس لأنهم يصطدمون ببعضهم البعض. هذا التباطؤ يتسبب في تراكم المزيد من الناس خلفهم، مما يخلق تجمعًا كثيفًا بطيء الحركة، بينما تظل المناطق ذات العدد الأقل من الناس سريعة وفارغة. يحدث هذا حتى لو لم تكن الجزيئات تتجاذب؛ فمجرد فعل الحركة والتعثر كافٍ لتقسيم النظام إلى مناطق كثيفة ومناطق مخففة.

لفترة طويلة، فُهم هذا السلوك فقط في العالم الكلاسيكي للأجسام اليومية. ومع ذلك، بدأ العلماء مؤخرًا في التساؤل عما يحدث عندما تُطبق هذه القواعد على العالم الكمومي، حيث يمكن للجسيمات أن توجد في حالات متعددة في آن واحد وتكون مرتبطة بخيوط غير مرئية من التماسك. كان السؤال هو: هل يمكن للحركة الفوضوية المستهلكة للطاقة في المادة النشطة أن تتعايش مع الطبيعة المتزامنة والدقيقة لميكانيكا الكم؟ وهل ستؤدي عملية التصادم وتبديد الطاقة المستمرة إلى تدمير الروابط الكمومية، أم يمكن للقوتين العمل معًا لخلق شيء جديد تمامًا؟

لقد قدم فريق من الباحثين الآن أدلة مقنعة على أن الإجابة هي نعم. فمن خلال بناء نموذج نظري لجزيئات نشطة تتصرف وفقًا للقوانين الكمومية، أظهروا أن نسخة كمومية من ظاهرة التكتل هذه يمكن أن تحدث بالفعل. أنشأ الباحثون محاكاة لخط أحادي البعد من الجسيمات التي تعمل مثل "البوزونات صلبة اللب" (hard-core bosons)، وهي نوع من الجسيمات الكمومية التي لا يمكنها احتلال نفس المساحة التي يشغلها جسيم آخر. تمتلك هذه الجسيمات حالة داخلية، مثل سهم صغير يشير يسارًا أو يمينًا، وهو ما يحدد اتجاه حركتها. فهي تقفز للأمام في الاتجاه الذي يشير إليه سهمها، لكن لا يمكنها الهبوط إلا في مكان فارغ. وأحيانًا، تقوم عملية كمومية بقلب سهمها، مما يغير اتجاهها، تمامًا كما يقرر عداء تغيير اتجاهه.

أجرى الفريق عمليات المحاكاة هذه باستخدام طريقة حوسبة قوية سمحت لهم بتتبع سلوك ما يصل إلى ألف جسيم. ووجدوا أنه عندما حدث قلب الأسهم الكمومي ببطء، بدأت الجزيئات في التكتل. تمامًا مثل النسخة الكلاسيكية، تباطأت الجزيئات في المناطق الكثيفة، مما أدى إلى تراكم المادة. ومع ذلك، كشحت النتائج عن اختلاف جوهري؛ ففي النسخة الأبسط من نموذجهم، شكلت الجزيات تجمعات، لكن هذه التجمعات ظلت محدودة الحجم، ولم تكبر أبدًا لتملأ الخط بأكمله. وهذا ما يُعرف بـ "الانفصال الطوري المجهري" (microphase separation)، حيث ينظم النظام نفسه في مجموعات صغيرة متميزة بدلاً من كتلة واحدة ضخمة. لاحظ الباحثون أن عدد الجزيئات في قسم صغير من الخط يتذبذب بشدة، وهو ما يعد علامة مميزة لسلوك التكتل هذا.

ولرؤية ما إذا كان بإمكانهم إجبار الجزيئات على الانفصال إلى مجال واحد ضخم، أضاف الباحثون قاعدة جديدة: قوة تنافر بين الجيران. جعلت هذه القوة من غير المرغوب فيه طاقيًا أن تجلس الجزيئات بجانب بعضها البعض إلا إذا كانت موجهة بطريقة تشجعها على حبس نفسها معًا. ومع هذه الإضافة، أظهرت عمليات المحمانة أن التجمعات نمت لتصبح أكبر بكما مع زيادة حجم النظام، مما يشير إلى انفصال طوري حقيقي وجوهري حيث تنقسم الجزيئات إلى منطقة كثيفة ومنطقة مخففة.

ربما كان الاكتشاف الأكثر إثارة للدهشة هو ما حدث للطبيعة الكمومية للجسيمات أثناء هذا التكتل الفوضوي. في الفيزياء الكلاسيكية، عندما تصطدم الجزيئات ببعضها البعض وتتباطأ، عادة ما تُدمر أي روابط كمومية دقيقة بسبب الضجيج والاحتكاك. توقع الباحثون أن تؤدي عمليات القفز وتبديد الطاقة المستمرة إلى محو التماسك الكمومي. وبدلاً من ذلك، وجدوا أن الحالات المستقرة المتكتلة احتفظت بتماسك كمومي قوي بعيد المدى. ظلت الجزيئات داخل التجمعات الكثيفة مرتبطة في حالة كمومية متزامنة، وهي ميزة لا يوجد لها مثيل في العالم الكلاسيكي. إن فعل التكتل نفسه خلق بيئة محمية حيث يمكن للروابط الكمومية أن تنجو بل وتزدهر.

تشير الدراسة إلى أن التفاعل بين الدفع المستهلك للطاقة في المادة النشطة والطبيعة الدقيقة للتماسك الكمومي لا يؤدي إلى الدمار، بل إلى التعاون. فالنشاط الذي يدفع الجزيئات للتكتل يساعد في الواقع على الحفاظ على حالتها الكمومية. يرسخ هذا الاكتشاف نوعًا جديدًا من حالات "خارج التوازن" (nonequilibrium)، متميزًا عن أي شيء شوهد من قبل. وبينما تأتي هذه النتائج من عمليات محاكاة حاسوبية، فإن المكونات المستخدمة لبناء النموذج — التبديد الموجه، والدوران المتماسك، وقواعد الاستبعاد الصارمة — تقع ضمن نطاق التكنولوجيا التجريبية الحالية باستخدام الذرات فائقة البرودة. وهذا يفتح الباب أمام تجارب مستقبلية لمراقبة هذه التجمعات الكمومية في مختبر حقيقي، مما قد يكشف عن آفاق جديدة حيث يمتزج التحرك الفوضوي للمادة النشطة والنظام الغامض لميكانيكا الكم لتشكيل مستقبل المواد الكمومية.