← أحدث الأبحاث
🔬 materials science

Polar vibrational excitations and glass-like response in relaxor PMN

تكشف هذه الدراسة، باستخدام نماذج ذرية مدربة على بيانات مستمدة من المبادئ الأولية، أن الاضطراب التركيبي في مادة الـ PMN المريحة (relaxor) يولد استمرارية من الاستثارات الاهتزازية القطبية وقمة بوزون من الأنماط شبه الموضعية، والتي تفسر مجتمعةً الاستجابات الكهربائية والضوئية والحرارية التي تشبه الزجاج مع الحفاظ على النظام البلوري للمادة.

المؤلفون الأصليون: Kehan Cai, Pinchen Xie, Yifan Li, Roberto Car

نُشر 2026-09-22
📖 4 دقيقة قراءة☕ قراءة في استراحة قهوة
CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Kehan Cai, Pinchen Xie, Yifan Li, Roberto Car

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

بعض المواد عبارة عن بلورات صلبة، حيث تكون ذراتها محبوسة في صفوف متكررة ومثالية تشبه الجنود في عرض عسكري. وهناك مواد أخرى هي زجاج، حيث تكون الذرات مجمدة في فوضى عارمة وغير منظمة، تماماً مثل حشد من الناس توقفوا في منت halfway في منتصف خطوتهم في شارع مزدحم. لعقود من الزمن، عرف العلماء أن هذين الحالتين تتصرفان بشكل مختلف تماماً عند التسخين أو التبريد. ولكن هناك فئة ثالثة محيرة من المواد ترفض الاختيار؛ تُسمى هذه المواد "الكهرباء الحديدية الاسترخائية" (relaxor ferroelectrics). فهي تبدو كبلورات مثالية تحت المجهر، ومع ذلك، عندما تبردها، تبدأ في التصرف مثل الزجاج، حيث تفقد قدرتها على الاستجابة للمجالات الكهربائية بطريقة يمكن التنبؤ بها. هذا السلوك الغريب يجعلها مفيدة للغاية في أجهزة الاستشعار والمكثفات، ولكنه أيضاً يترك علماء الفيزياء في حيرة من أمرهم. كيف يمكن للمادة أن تكون منظمة وفوضوية في آن واحد، ولما لماذا تجعلها هذه الازدواجية غريبة جداً؟

لقد بدأ فريق من الباحثين في جامعة برينستون أخيراً في فك رموز هذا الغموض من خلال النظر في مادة محددة تسمى PMN. وباستخدام محاكاة حاسوبية قوية تحاكي سلوك الذرات الفردية، اكتشفوا أن السر يكمن في كيفية ارتباط اضطراب المادة الداخلي بقدرتها على الاهتزاز. في البلورة العادية، تهتز الذرات في أنماط منظمة ومتزامنة، وتتفاعل أنواع قليلة فقط من الاهتزازات مع الكهرباء. أما في PMN، فإن الخلط العشوائي لأنواع مختلفة من الذرات يكسر هذا النظام. هذا الاضطراب يجبر كل اهتزاز في المادة على أن يصبح نشطاً كهربائياً. فبدلاً من نغمات قليلة متميزة، تنتج المادة هديراً مستمراً من الاهتزازات الكهربائية عبر نطاق واسع من الترددات. يفسر هذا الاكتشاف سبب استجابة المادة للمجالات الكهربائية بطريقة لا تستطيع أي بلورة عادية القيام بها.

قام الباحثون ببناء نموذجهم من خلال تعليم الكمبيوتر فهم قواعد الفيزياء لهذه المادة، باستخدام بيانات من حسابات كمومية عالية المستوى. لقد أنشأوا نسخة رقمية من PMN تتضمن الطريقة المحددة التي تختلط بها ذراتها: بعض المناطق منظمة تماماً، بينما البعض الآخر عبارة عن فوضى عشوائية. ثم راقبوا كيف تتصرف هذه المادة الرقمية بينما يقومون بتبريدها من حالة سائلة ساخنة إلى حالة صلبة باردة. ومع انخفاض درجة الحرارة، أظهر الكمبيوتر أن مجموعات صغيرة من الذرات بدأت في محاذاة اتجاهاتها الكهربائية، لكنها فعلت ذلك في نمط فوضوي متجمد لم يستقر تماماً في نظام واحد. وقد أكد هذا أن السلوك "الشبه زجاجي" للمادة يأتي من هذه المناطق الصغيرة المتجمدة من الاضطراب، والتي تعمل مثل حشد مزدحم لم يعد بإمكانه التحرك بحرية.

إن ما يجعل هذا الاكتشاف مهماً بشكل خاص هو كيفية ربطه بين الخصائص الكهربائية للمادة وخصائصها الحرارية. فقد كشفت عمليات المحاكاة أن الاضطراب في PMN يخلق فائضاً من الاهتزازات منخفضة التردد التي لا توجد في البلورات العادية. هذه الاهتزازات الإضافية ليست هي الحركات الموجية الناعمة للصوت المنتقل عبر مادة صلبة؛ بل هي "هزات" موضعية، حيث تهتز مجموعات صغيرة من الذرات بقوة بينما بالكاد يتحرك جيرانها. وجد الباحثون أن طاقة هذه الهزات تتبع قاعدة رياضية محددة للغاية، وهي قاعدة تُرى أيضاً في زجاج النوافذ العادي. هذا الفائض من الهزات منخفضة الطاقة يفسر سبب امتصاص PMO للحرارة بشكل مختلف عن البلورات الأخرى، حيث تظهر ذروة متميزة في سعتها الحرارية عند درجات حرارة فوق الصفر المطلق مباشرة.

كما أوضحت الدراسة سبب تفاعل PMN مع المجالات الكهربائية في نطاق الموجات الدقيقة (الميكروويف)، وهو نطاق تردد يُستخدم في الرادار والاتصالات، في حين أن البلورات العادية تتفاعل فقط مع ترددات أعلى بكثير. لأن الاضطراب يجعل كل اهتزاز حساساً كهربائياً، يمكن للمادة أن تستجيب للدفعات الكهربائية البطيئة واللطيفة. في البلورة العادية، تكون الذرات شديدة النظام بحيث لا تشعر بهذه الدفعات البطيئة؛ فهي تستجيب فقط للنزات السريعة وعالية الطاقة. وأظهر الباحثون أن الطيف المستمر من الاهتزازات في PMN يسمح لها بامتصاص الطاقة عبر نطاق واسع، مما يخلق استجابة سلسة وعريضة بدلاً من النبضات الحادة والضيقة التي تُرى في المواد المنظمة. هذه الاستجابة المستمرة هي المفتاح لقدرة المادة الفريدة على تخزين وإطلاق الطاقة الكهربائية بكفاءة.

من خلال ربط الفوضى المجهرية للذرات بالسلوك الكلي للمادة، تقدم الدراسة صورة كاملة لسبب كون المواد الاسترخائية غير عادية. فالاضطراب لا يظل ساكناً فحسب؛ بل يعيد تشكيل كيفية اهتزاز المادة بنشاط، محولاً كل اهتزاز إلى إشارة كهربائية وخلق فائض من الحركات منخفضة الطاقة التي تحاكي سلوك الزجاج. هذا العمل لا يصف ما يحدث فحسب، بل يشرح الآلية، موضحاً أن الخصائص الحرارية والكهربائية الغريبة لـ PMN هما وجهان لعملة واحدة، وكلاهما مدفوع بنفس الاضطراب الأساسي. وبينما لم تتمكن عمليات المحاكاة من التقاط الحركات البطيئة للغاية التي تحدث على فترات طويلة، إلا أنها نجحت في إعادة إنتاج سلوك المادة عند الترددات ودرجات الحرارة الأعلى، مما قدم تفسيراً واضحاً، ذرة بذرة، لظاهرة حيرت العلماء لسنوات.

غارق في أبحاث مجالك؟

تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.

جرّب Digest →

أبحاث مشابهة

عرض الكل في هذا التصنيف 🔬 cond-mat.mtrl-sci →