Coupled quantum critical states in a circuit simulator

في عالم الفيزياء الكمومية المجهري، غالبًا ما تتصرف المادة بطرق تتحدى حدسنا اليومي. فعندما تُحشر الإلكترونات معًا بإحكام في مواد معينة، فإنها لا تعمل ببساطة كجسيمات فردية تصطدم ببعضها البعض؛ بل تشكل حالة جماعية مترابطة حيث يرتبط سلوك أحدها ارتباطًا وثيقًا لا ينفصم بسلوك الآخرين جميعًا. لعقود من الزمن، فُتن الفيزيائيون بنوع محدد من هذه الحالات الجماعية يُعرف باسم "سوائل غير فيرمي" (non-Fermi liquids). في المعادن القياسية، تتدفق الإلكترونات بسلاسة مثل السائل، ولكن في هذه الحالات الغريبة، يصبح السائل مضطربًا وغير قابل للتنبؤ، رافضًا الاستقرار في الأنماط الهادئة والمنظمة التي نراها في الموصلات العادية. غالبًا ما تنشأ هذه الحالات المضطربة بالقرب من نقطة تحول، أو حالة حرجة، حيث تكون المادة على وشك تغيير طبيعتها الجوهرية. وقد ظل سؤال رئيسي يلوح في أفق هذا المجال: إذا أخذت اثنين من هذه الأنظمة الحرجة المضطربة وربطتهما معًا، فهل سيظلان فوضويين، أم سيندمجان في شكل جديد أكثر غرابة من المادة، أم سيهدآن ويعودان إلى حالة طبيعية ومنظمة؟

لقد بنى الباحثون مؤخرًا بيئة مختبرية محكومة للإجابة على هذا السؤال، باستخدام دائرة مكونة من جزر معدنية صغيرة وأسلاك شبه موصلة. يعمل هذا الإعداد كمحاكٍ، مما يسمح للعلماء بضبط التفاعلات بين الإلكترونات بدقة فائمة. وفي دراسة جديدة، استخدم فريق من الفيزيائيين هذا المحاكي لاستكشاف ما يحدث عندما يتم ربط نظامين حرجين من هذا النوع معًا. واكتشفوا أن النتيجة تعتمد كليًا على قوة الاتصال بينهما. فعندما يكون الرابط ضعيفًا، يظل النظامان مستقلين، ويحتفظ كل منهما بطبيعته الحرجة والفوضوية الخاصة به. ومع تقوية الاتصال، يدخل النظامان في منطقة وسطى حيث يشكلان حالة جديدة قوية من "سائل غير فيرمي"، تتميز بخصائص فريدة وقابلة للضبط المستمر. ومع ذلك، إذا أصبح الاتصال قويًا جدًا، يتم ترويض الفوضى، وينهار النظام إلى حالة هادئة ومنظمة تُعرف باسم "سائل فيرمي" (Fermi liquid).

يعتمد التجربة على جهاز تم بناؤه من مكونات هجينة من المعدن وأشباه الموصلات، وتحديدًا حبيبتين معدنيتين صغيرتين، أو "جزيرتين"، موضوعتين في بيئة مغناطيسية تجبر الإلكترونات على التحرك في اتجاه واحد. ترتبط كل جزيرة بأسلاك خارجية عبر نقاط اتصال كمومية (quantum point contacts) صغيرة وقابلة للضبط. تتحكم هذه البوابات في مدى سهولة نفق (tunneling)، أو قفز، الإلكترونات بين الأسلاك والجزر. عندما يتم ضبط البوابات عند مقاومة محددة، تصبح الإلكترونات في الجزيرة "محبطة" (frustrated)؛ إذ لا تستطيع الاستقرار في تكوين واحد مستقر لأنها تُسحب باستمرار في اتجاهات مختلفة من قبل الأسلاك المحيطة. هذا الإحباط يخلق حالة حرجة حيث تتقلب شحنة الجزيرة بجنون، وهي ظاهرة تُعرف باسم "تأثير كوندو ثنائي القناة" (two-channel Kondo effect). في هذه الحالة، تتصرف الجزيرة مثل عزم مغناطيسي موضعي يتم حجبُه، أو تحييده، بواسطة تيارين منفصلين من الإلكترونات في آن واحد.

ولاستقصاء مصير هذه الحالات، قام الباحثون بربط جزيرتين محبطتين من هذا النوع عبر بوابة مركزية، مما خلق دائرة يمكن فيها للأنظمة الحرجة التفاعل. وقد تناولوا المشكلة من زاويتين مختلفتين لضمان رصانة نتائجهم. أولاً، استخدموا عمليات محاكاة عددية قوية لنمذجة النظام عندما تكون الاتصالات ضعيفة، وهو نظام يواجه فيه الإلكترونات صعوبة في التحرك عبر البوابات. وكشفت هذه الحسابات أنه عندما يكون الارتباط بين الجزيرتين ضعيفًا فقط، فإنهما يتجاهلان بعضهما البعض فعليًا؛ حيث تحتفظ كل جزيرة بسلوكها الحرج والفوضوي الخاص، ويظل النظام في حالة اضطراب "سائل غير فيرمي". ولاحظ الباحثون أن الإنتروبيا (entropy)، وهي مقياس لاضطراب النظام، ظلت مرتفعة، مما يشير إلى أن الجزيرتين لا تزالان عالقتين في حالتهما الحرجة والمحبطة.

ومع زيادة الباحثين لقوة الاتصال بين الجزيرتين، أظهرت عمليات المحاكاة انتقالًا رائعًا. بدأت الجزيرتان في التواصل، وبدأ سلوكهما الحرج الفردي في الامتزاج. وبدلاً من هيمنة إحدى الجزيرتين على الأخرى، أو تحول النظام فورًا إلى حالة منظمة، دخلا في مرحلة وسيطة جديدة. في هذه المرحلة، لم يستقر النظام في نمط ثابت، بل أظهر خصائص يمكن ضبطها باستمرار عن طريق تعديل إعدادات البوابة. ووجد الباحثون أن طريقة استجابة النظام للتغيرات في درجة الحرارة والمجالات المغناطيسية اتبعت نمطًا محددًا غير قياسي لا يتطابق مع أي مادة بسيطة معروفة. وقد أكد هذا وجود طور "سائل غير فيرمي" مقترن وقوي، وهو حالة جديدة من المادة مستقرة وقابلة للتحكم.

ولفهم الصورة الكاملة، حلل الفريق أيضًا الطرف النقيض، حيث تكون الاتصالات بين الجزيرتين والأسلاك قوية جدًا، مما يسمح للإلكترونات بالتدفق بحرية شبه تامة. في هذا الحد "شبه البالستي" (quasiballistic)، استخدموا تقنيات رياضية لرسم سلوك الإلكترونات وتحويله إلى مسألة تتعلق بجسيمات تتحرك على شبكة بلورية (lattice). وفر هذا التحليل مخطط طور كامل، يوضح بدقة كيف يتصرف النظام مع تغير الاتصالات. وكشف المخطط أن طور "سائل غير فيرمي" الجديد ليس مجرد ظاهرة عابرة، بل هو منطقة مستقرة تستمر عبر نطاق واسض من الظروف. إنها حالة تكون فيها الإلكترونات مترابطة بطريقة معقدة، وتقاوم الميل لتشكيل سائل بسيط ومنظم.

ومع ذلك، فإن القصة لا تنتهي عند هذه الحالة الفوضوية الجديدة. فقد وجد الباحثون أن هناك حدًا لما يمكن أن يتحمله النظام من اقتران قبل أن ينكسر. فعندما يصبح الاتصال بين الجزيرتين قويًا جدًا، تعمل البوابة المركزية فعليًا كجسر يسمح للإلكترونات بحجب الإحباط تمامًا. لم تعد الجزيرتان عالقتين في حالة حرجة ومتقلبة؛ بل تجد الإلكترونات تكوينًا مستقرًا حيث تتوزع الشحنة بالتساوي ويستقر النظام. ويمثل هذا الانتقال العودة إلى "سائل فيرمي" طبيعي، وهو حالة تتصرف فيها الإلكترونات كسائل منظم قياسي. وقد حدد الباحثون المقياس الطاقي المحدد الذي يحدث عنده هذا الانتقال، موضحين أنه يتبع علاقة رياضية يمكن التنبؤ بها بناءً على قوة الاتصال.

تكمن أهمية هذه النتائج في إثبات أن الحالات الحرجة المقترنة يمكنها بالفعل البقاء، بل والازدهار، في بيئة محكومة، مشكلةً فئة جديدة من المادة تختلف عن كل من الحالات الحرجة الفردية والسائل الطبيعي. وهذا يتحدى الفكرة القائلة بأن مثل هذه الحالات الهشة والفوضوية ستدمر حتمًا بسبب التفاعل مع جار لها. وتظهر الدراسة أنه من خلال الضبط الدقيق لقوة التفاعل، يمكن للعلماء قيادة نظام عبر رحلة من الفوضى المستقلة، مرورًا بفوضى جماعية جديدة قابلة للضبط، وصولًا في النهاية إلى النظام. وهذا يوفر مخططًا لهندسة مواد كمومية ذات خصائص محددة ومرغوبة، مما قد يمهد الطريق لأنواع جديدة من الأجهزة الإلكترونية التي تعمل وفق مبادئ تتجاوز بكثير المعادن التقليدية. ويؤكد العمل أن التفاعل بين الحرجة المحلية والاقتران غير الموضعي هو أرض خصبة وغنية لاكتشاف فيزياء جديدة، مما يقدم لمحة عن العالم المعقد والمترابط الذي يوجد في قلب المادة الكمومية.