Highly elastic collisions of ultracold asymmetric top molecules in a static electric field

في أكثر أطراف الكون برودة، حيث تنخفض درجات الحرارة إلى مستويات تجعل الذرات والجزيئات تتحرك بوقار بطيء يشبه الأحلام، يبرز عالم جديد وغريب من الفيزياء. هنا، يتراجع الصخب الفوضوي للحرارة الذي يحدد تجربتنا اليومية ليحل محله حالة تتصرف فيها الجسيمات كموجات أكثر مما تتصرف ككرات بلياردو صغيرة. لطالما سعى العلماء لإنشاء هذه العينات "فائقة البرودة" من الجزيئات المعقدة، ليس فقط لدراسة الجزيئات نفسها، بل لاستخدامها كبنات بناء للحواسيب الكمومية واختبار القوانين الأساسية للطبيعة. كان التحدي دائماً هو أنه بينما يمكن تبريد الجزيئات البسيطة، تميل الجزيئات المعقدة إلى الالتصاق ببعضها البعض أو التفاعل كيميائياً بمجرد اقترابها، مما يدمر العينة الدقيقة قبل أن يتسنى دراستها. ولحل هذه المشكلة، يحتاج الباحثون إلى طريقة تجعل هذه الجزيئات ترتد عن بعضها البعض بنظافة، مثل كرات المطاط، بدلاً من الاصطدام والتحطم. يتطلب هذا توازناً دقيقاً: يجب أن تتفاعل الجزيئات بقوة كافية لتستقر في حالة هادئة ومنظمة، ولكن ليس بقوة تجعلها تصطدم وتتلاشى.

لقد اقترح باحث الآن طريقة لتحقيق هذا التوازن باستخدام نوع معين من الجزيئات يسمى أميد الكالسيوم، أو CaNH2. وخلافاً للجزيئات البسيطة التي تشبه أثقال الدمبل، فإن هذا الجزيء يتخذ شكلاً يشبه هرماً غير متماثل، وهو هيكل يُعرف في الفيزياء باسم "الجسم غير المتماثل المحور" (asymmetric top). هذا الشكل غير المعتاد يمنح الجزيء ميزة داخلية فريدة: حالتين متطابقتين تقريباً في الطاقة ولكن بخصائص متضادة، تماماً مثل عملة معدنية يمكن أن تستقر على الوجه أو الكتابة. في غياب أي تأثير خارجي، تكون هاتان الحالتان قريبتين جداً من بعضهما لدرجة أنهما تختلطان طبيعياً. وقد وجد الباحث أنه من خلال تطبيق مجال كهربائي ثابت، يمكنه دفع هذه الجزيئات إلى حالة تصبح فيها حساسة للغاية تجاه بعضها البعض. تخلق هذه الحساسية قوة بعيدة المدى تجذب الجزيئات معاً بلطف، مما يسمح لها بالاصطدام وتبادل الطاقة دون أن تعلق أو تتفاعل كيميائياً.

يكمن جوهر الاكتشاف في كيفية سلوك هذه الجزيئات عندما يتم تحضيرها في حالة مثارة محددة وإخضاعها لمجال كهربائي. لقد حسب الباحث أنه عند تطبيق المجال، تطور الجزيئات ثنائية قطب كهربائية قوية، مما يعني أن أحد طرفيها يصبح موجباً قليلاً والآخر سالباً قليلاً. هذا يحول الجزيئات إلى مغناطيسات صغيرة يمكنها الشعور ببعضها البعض من مسافة. والأهم من ذلك، أن الشكل الفريد لجزيء أميد الكالسيوم يخلق حاجزاً غير مرئي يمنع الجزيئات من الاقتراب الشديد من بعضها. حتى مع قيام المجال الكهربائي بجذب الجزيئات معاً، فإن هذا الحاجز يدفعها بعيداً قبل أن تتلامس مباشرة، مما يحميها فعلياً من التفاعلات الكيميائية التي تدمر عادةً العينات فائقة البرودة. والنتيجة هي سيناريو تصطدم فيه الجزيئات مرناً، وترتد عن بعضها البعض بكفاءة عالية، بينما يتم كبح الاصطدامات المدمرة والمسببة للفقد بمقدار ألف ضعف أو أكثر.

كشفت الدراسة أيضاً أنه إذا تم زيادة المجال الكهربائي بشكل أكبر، فإن الجذب اللطيف بين الجزيئات يمكن أن يصبح قوياً بما يكفي لربطها في أزواج. هذه ليست روابط كيميائية دائمة، بل هي شراكات ضعيفة ومؤقتة يمسك بها المجال الكهربائي نفسه. وقد حدد الباحث أن هذه الأزواج، التي تتكون من ثماني ذرات في المجمل، تشكل نوعاً جديداً من الحالات المرتبطة لم يسبق رؤيته في مثل هذه الجزيئات المعقدة. هذا الاكتشاف مهم لأنه يشير إلى إمكانية استخدام الآلية ذاتها لإنشاء هياكل أكثر تعقيداً، مما قد يفتح الباب أمام إنشاء أشكال جديدة من المادة حيث ترتبط الجزيئات معاً بطرق محكومة.

ولعل النتيجة الأكثر عملية لهذا العمل هي إمكانية التبريد التبخيري. في عالم الفيزياء فائقة البرودة، هذه هي التقنية القياسية المستخدمة لتبريد الغاز إلى أدنى حالة طاقة ممكنة، وهي نقطة تُعرف باسم "التدهور الكمومي". ولكي ينجح ذلك، يجب أن تصطدم الجسيمات في الغاز بشكل متكرر وترتد عن بعضها البعض دون فقدان الطاقة للبيئة المحيطة. وقد أظهر الباحث أن نسبة هذه الارتدادات المفيدة إلى الاصطدامات المدمرة في حالة أميد الكالسيوم عالية بما يكفي لجعل التبريد التبخيري ممكناً. وهذا يعني أنه يمكن للعلماء أخذ عينة من هذه الجزيئات التي تم تبريدها بالفعل بواسطة الليزر واستخدام الاصطدامات لتبريدها بشكل أكبر، وصولاً إلى درجات حرارة تتصرف فيها ككيان كمومي واحد.

لم يكتفِ الباحث بدراسة أميد الكالسيوم فحسب؛ بل طبق حساباته أيضاً على جزيء مشابه يحتوي على السترونشيوم، يسمى SrNH2، ووجد نفس السلوك المواتي. يشير هذا إلى أن الطريقة ليست مجرد صدفة خاصة بجزيء واحد، بل هي خاصية عامة لفئة كاملة من الجزيئات المكونة من معادن القلوية الترابية ومجموعات الأميد. تعتمد الدراسة على عمليات محاكاة حاسوبية دقيقة لرسم مسار تفاعل هذه الجزيئات، بدلاً من التجارب الفيزيائية، لكن الحسابات دقيقة وتأخذ في الاعتبار ميكانيكا الكم المعقدة المعنية. وتشير النتائج إلى أنه باستخدام مجالات كهربائية تقل عن واحد كيلو فولت لكل سنتيمتر -وهي كمية متواضعة نسبياً في عالم الفيزياء- يمكن للعلماء إنشاء غازات مستقرة وفائقة البرودة من هذه الجزيئات المعقدة.

يوفر هذا العمل خارطة طريق واضحة للخطوة التالية في هذا المجال. فمن خلال إثبات أن هذه الجزيئات غير المتماثلة يمكن تثبيتها ضد الفقد مع بقائها شديدة التفاعل، أزال الباحث عقبة رئيسية كانت تمنع سابقاً إنشاء غازات متدهورة كمومياً من الجزيئات متعددة الذرات. وإذا ثبتت صحة هذه التنبؤات في المختبر، فإن ذلك سيسمح للعلماء بإنشاء مجموعات من الجزيئات ذات إنتروبيا (عشوائية) منخفضة للغاية. ستكون مثل هذه العينات مثالية لمحاكاة المواد المعقدة، وإجراء قياسات دقيقة للبحث عن فيزياء جديدة تتجاوز فهمنا الحالي، واستكشاف التفاعلات الكيميائية على المستوى الكمومي. إن المسار من غاز فوضوي من الجزيئات إلى سائل كمومي منظم تماماً، والذي كان يُعتقد يوماً أنه مستحيل لهذه الأشكال المعقدة، يبدو الآن في المتناول.