Measuring chiral phonons

المواد الصلبة ليست كتلًا ساكنة؛ فحتى أقسى أنواع الصخور هي مدينة صاخبة من الذرات، تتذبذب وتتأرجح باستمرار. في الفيزياء، تُسمى هذه الاهتزازات الجماعية "الفونونات". لفترة طويلة، تعامل العلماء مع هذه الاهتزازات باعتبارها حركات بسيطة ذهابًا وإيابًا، تحمل الطاقة ولكن لا تحمل "لفاً" (spin). ومع ذلك، كشفت مجموعة متزايدة من الأبحاث أنه في مواد معينة، يمكن لهذه الاهتزازات الذرية أن تلتوي. فعندما تدور الذرات أثناء اهتزازها، مكسرةً تماثلات محددة، فإنها تخلق ما يُعرف بـ "الفونونات الكيرالية" (chiral phonons). هذه الاهتزازات الملتوية تحمل خاصية تُسمى "الزخم الزاوي"، تمامًا مثل البلبل (الدوامة) الذي يدور، وتتفاعل مع الضوء بشكل مختلف اعتمادًا على ما إذا كان هذا الضوء يدور في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة. هذا الاكتشاف ليس مجرد فضول في العالم المجهري؛ بل يفتح الأبواب لتقنيات جديدة. فإذا تمكن العلماء من التحكم في هذه الاهتزازات الملتوية، فقد يتمكنون من بناء حواسيب أسرع تستخدم "اللف" بدلاً من الشحنة، أو ابتكار طرق أكثر كفاءة لنقل الحرارة، أو حتى توجيه التفاعلات الكيميائية لإنتاج نسخة واحدة محددة فقط من الجزيء.

وعلى الرغم من الحماس، كان قياس هذه الاهزازات الملتوية أمرًا صعبًا. لقد عمل المجتمع العلمي في صوامع منفصلة، حيث استخدم الخبراء في الكيمياء والفيزياء وعلوم المواد أدوات مختلفة للبحث عن الظاهرة نفسها، وغالبًا دون إدراك أنهم يدرسون الشيء ذاته. تأتي ورقة بحثية جديدة لتعيد تجميع هذه الجهود المتفرقة، مقدمةً دليلاً واضحًا حول كيفية اكتشاف الفونونات الكيرالية وما يمكن للأدوات الحالية فعله وما لا يمكنها فعله. ويرى المؤلفون، وهم فريق من الباحثين من مؤسسات تشمل مختبر أبحاث القوات الجوية، وجامعة رايس، وجامعة ميشيغان، أنه من أجل المضي قدمًا، يحتاج المجال إلى نهج موحد. لقد راجعوا الأساليب الموجودة، وشرحوا نقاط قوتها وضعفها، واقترحوا مسارًا نحو قياسات أكثر حساسية يمكنها إطلاق العقد الكامل لهذه الاهتزازات الفريدة.

تبدأ الورقة بتوضيح أين تعيش هذه الاهتزازات الملتوية. فهي توجد في مواد كيرالية بطبيعتها، مثل البلورات المكونة من أحماض أمينية يمنى أو يسرى، وهي اللبنات الأساسية للحياة. لكنها توجد أيضًا في مواد تبدو متماثلة تمامًا من الخارج. في هذه المواد غير الكيرالية (achiral)، يمكن للذرات أن تلتوي مؤقتًا إذا كسر الاهتزاز التماثل للحظة وجيزة، أو إذا حفزت قوة خارجية مثل مجال مغناطيسي أو نبضة ضوئية معينة تلك الحركة. ويشير الباحثون إلى أن تحليلًا حديثًا لآلاف الهياكل البلورية يشير إلى أن الفونونات الكيرالية أكثر شيوعًا مما كان يُعتقد سابقًا، حيث تظهر في ما يقرب من ربع جميع المركبات البلورية المعروفة. هذا المشهد الواسع من المواد المحتملة يعني أن القدرة على قياسها بدقة أمر بالغ الأهمية للتطبيقات المستقبلية في الإلكترونيات الدورانية (spintronics)، والإدارة الحرارية، والحوسبة الكمومية.

ولإيجاد هذه الاهتزازات المراوغة، طور العلماء تقنيات عدة، لكل منها مزاياها الخاصة. وتتضمن إحدى الطرق الأكثر استقرارًا تسليط ضوء مستقطب دائريًا على المادة. ولأن الفونونات الكيرالية تلتوي، فإنها تمتص الضوء الأيسر والضوء الأيمن بشكل مختلف. ومن خلال قياس هذا الفرق، المعروف باسم "التدوير الضوئي الدائري" (circular dichroism)، يمكن للباحثين اكتشاف وجود هذه الاهتزازات. يعمل هذا بشكل جيد مع الاهتزازات التي تحدث عند تردد الضوء المرئي أو الأشعة تحت الحمراء، ولكنه يصبح أصعب بكثير بالنسبة للاهتزازات الأبطأ والأقل ترددًا. ومن أجل هذه الحالات، تسلط الورقة الضوء على تقنية تسمى "التدوير الضوي الدائري في نطاق الترا هيرتز". يستخدم هذا الأسلوب موجات ضوئية أطول بكثير من الضوء المرئي، مما يسمح للعلماء بفحص الالتواء الجماعي البطيء للذرات في مجموعات كبيرة. ويشير المؤلفون إلى أن هذه التقنية قوية بشكل خاص لأنها تستطيع التمييز بين أنواع مختلفة من حركات الالتواء التي تبدو متطابقة في القياسات القياسية. ومع ذلك، فهي تتطلب عينات كبيرة وهي حساسة للماء، الذي يمتص الإشارة، مما يجعل من الصعب استخدامها مع العينات البيولوجية الرطبة.

هناك أداة قوية أخرى تمت مناقشتها وهي شكل متخصص من "مطيافية رامان"، حيث يرتد الضوء عن المادة ويتغير لونه. ومن خلال استخدام ضوء مستقطب دائريًا، يمكن للعلماء البحث عن انقسامات طفيفة في تردد الضوء المشتت. فإذا كانت الذرات تلتوي، فإن الضوء المتفاعل معها سينزاح قليلاً بشكل مختلف اعتمادًا على اتجاه الالتواء. وتشير الورقة إلى أنه بينما تكون هذه الطريقة دقيقة، إلا أن الإشارة ضعيفة للغاية، وغالبًا ما تتطلب ساعات من القياس للحصول على نتيجة واضحة. علاوة على على ذلك، فإن الانزياحات في التردد صغيرة جدًا لدرجة أنها تكون أحيانًا أصغر من دقة معدات المختبر القياسية. وللتغلب على ذلك، يقترح المؤلفون استخدام الأشعة السينية بدلاً من الضوء المرئي. إذ يمكن لتقنية تسمى "تشتت الأشعة السينية غير المرن الرنيني" (resonant inelastic X-ray scattering) أن تفحص أعماق المادة وتحل فروق الطاقة الأكبر، لكنها تتطلب الوصول إلى مسرعات جسيمات ضخمة ومكلفة، مما يحد من توافرها.

كما تستعرض المراجعة كيف يمكن للعلماء إنشاء هذه الاهتزازات الملتوية عند الطلب باستخدام نبضات ليزر فائقة السرعة. فمن خلال ضرب المادة بدفعة ضوئية قصيرة وكثيفة جدًا، يمكن للباحثين إجبار الذرات على بدء الالتواء بطريقة منسقة. وهذا يسمح لهم بمراقبة تطور الاهتزازات في الوقت الفعلي، ومراقبة كيفية تفاعل الالتواء مع إلكترونات المادة وخصائصها المغناطيسية. وفي بعض التجارب، أدى ذلك إلى اكتشاف أن الاهتزازات الملتوية يمكن أن تولد مجالات مغناطيسية قوية بما يكفي لقلب مغناطيسية مادة مجاورة. ويؤكد المؤلفون أنه بينما توفر هذه التجارب الديناميكية صورة حية لكيفية سلوك الفونونات الكيرالية، إلا أنها تفرض أيضًا تعقيدات؛ إذ قد يكون من الصعب معرفة ما إذا كانت الإشارة ناتجة عن الذرات الملتوية أم عن تأثيرات أخرى مثل تسخين المادة أو تغير شكلها.

في الختام، تخلص الورقة إلى أن المجال يمر بنقطة تحول. فالتقنيات الفردية قوية، لكنها غالبًا ما تروي جزءًا واحدًا فقط من القصة. ويجادل المؤلفون بأن الخطوة التالية هي دمج هذه الأساليب، باستخدام أدوات متعددة لدراسة المادة نفسها في آن واحد. ومن خلال التحقق من النتائج من مطيافية رامان، وقياسات الترا هيرتز، والليزر فائق السرعة، يمكن للعلماء بناء صورة كاملة وموثوقة للفونونات الكيرالية. كما يدعون إلى تطوير أدوات جديدة أكثر حساسية وسهولة في الاستخدام، مثل الأسطح المتخصصة التي يمكنها التحكم في الضوء دون الحاجة إلى تدوير العينة فعليًا. ومع وجود نهج موحد وأدوات أفضل، يعتقد الباحثون أننا سنتمكن قريبًا من تسخير قوة هذه الاهتزازات الذرية الملتوية، وتحويل فضول أساسي في الطبيعة إلى محرك عملي لتقنيات الغد.