Disorder Induced Quantum Griffiths Phase in the Proximate Kitaev Quantum Spin Liquid Na2Co2TeO6

تخيل عالم الذرات كأنه ساحة رقص ضخمة وصاخبة. في معظم المواد، تملّ الراقصات (وهي جسيمات مغناطيسية صغيرة تسمى "اللفات المغزلية" أو "spins") في النهاية من الرقص العشوائي وتقرر الاصطفاف في صفوف مثالية وصلبة، وكل منها يواجه نفس الاتجاه. هذا ما نسميه مغناطيساً، مثل ذلك الموجود على ثلاجتك. ولكن في ركن خاص وغريب من الفيزياء يسمى "المادة الكمومية"، تختلف القواعد. هنا، ترفض الراقصات الاصطفاف؛ بدلاً من ذلك، يبقين في حالة حركة محمومة ومستمرة، حتى عندما تنخفض درجة الحرارة إلى ما يقرب من الصفر المطلق. يسمي العلماء هذه الحالة "سائل اللف المغزلي الكمومي".

لماذا يهم هذا الأمر؟ لأنه في هذه الحالة السائلة، لا تكتفي الراقصات بالحركة فحسب، بل ينقسمن إلى أجزاء. يمكن لراقصة واحدة أن تنقسم إلى قطعتين أو ثلاث قطع تطفو بشكل مستقل، حاملةً فقط جزءاً من الطاقة الأصلية. الأمر يشبه لو أن شخصاً واحداً في حفلة يمكنه فجأة الانقسام إلى شبح وظل، وكلاهما يرقص بمفرده. هذا "التجزؤ" (fractionalization) هو الكأس المقدسة لبناء حواسيب فائقة المستقبل، لكنه هش للغاية. عادةً، إذا أدخلت القليل من الفوضى أو "الاضطراب" في البنية البلورية — مثل تعثر راقص فوق حذاء — فإن ذلك يفسد حالة السائل بأكملها ويجبر اللفات المغزلية على الاصطفاف في النهاية.

ومع ذلك، تشير دراسة جديدة إلى أنه في بعض الأحيان، لا يدمر القليل من الفوضى الحفلة؛ بل يخلق نوعاً جديداً تماماً من الرقص. بحث الباحثون في مادة محددة، وهي بلورة تسمى Na2Co2TeO6، وهي بطبيعتها فوضوية قليلاً من الداخل. وجدوا أن هذا الاضطراب لا يقتل السائل الكمومي؛ بل يخلق عالماً غريباً من "الرقع" (patchwork)، حيث تكون بعض الأجزاء متجمدة وذات فجوة طاقية، بينما تكون أجزاء أخرى جامحة وبدون فجوة، وتعيش جميعها معاً في "طور غريفيث" (Griffman phase).

---

الورقة البحثية: طور غريفيث الكمومي الناجم عن الاضطراب في مادة سائل اللف المغزلي "كيتايف" القريبة من الحالة الكمومية Na2Co2TeO6

قرر العلماء وراء هذه الدراسة استقصاء مادة تسمى Na2Co2TeO6 (ولنسمها NCTO للاختصار). هذه المادة مشهورة لأن ذراتها مرتبة في نمط سداسي، يشبه خلية النحل، وهو المسرح المثالي لـ "سائل لف مغزلي كيتايف كمومي". في هذا السيناريو المثالي، يجب أن تتجزأ اللفات المغزلية إلى جسيمات شبحية صغيرة تسمى "فرميونات مايورانا". ولكن هناك عقبة: البلورات الحقيقية ليست مثالية أبداً. تحتوي NCTO على عيب طبيعي حيث تكون بعض ذرات الصوديوم مفقودة أو في أماكن خاطئة. هذا هو "الاضطراب".

عادةً، يعتقد العلماء أن الاضطراب هو العدو. يتوقعون أنه إذا أفسدتَ نمط خلية النحل، فإن السائل الكمومي الدقيق سينهار، وستصطف اللفات المغزلية ببساطة في ترتيب مغناطيسي قياسي. لكن مؤلفي هذه الورقة طرحوا سؤالاً مختلفاً: ماذا لو كان الاضطراب يخلق شيئاً جديداً بالفعل؟

لمعرفة ذلك، استخدموا تقنية تسمى الرنين المغناطيسي النووي (NMR). فكر في NMR كسماعة طبية فائقة الحساسية تستمع إلى نبضات قلوب الذرات داخل البلورة. ومن خلال تبريد المادة من درجة حرص الغرفة إلى بضع درجات فقط فوق الصفر المطلق، راقبوا كيف تفاعلت اللفات المغزلية.

ما وجدوه هو قصة عالمين.

عندما كانت المادة دافئة (بين 100 كلفن و10 كلفن)، تصرفت اللفات المغزلية تماماً كما هو متوقع لسائل لف مغزلي كمومي. كانت متجزئة، وكان هناك "فجوة طاقة" واضحة، مما يعني أن اللفات المغزلية تحتاج إلى قدر معين من الطاقة لتصبح مثارة. كان الأمر يشبه محيطاً هادئاً ذا فجوة، حيث لا تتكون الأمواج إلا إذا رميت حجراً كبيراً بما يكفي.

ولكن بعد ذلك، حدث شيء غريب عند تبريدها تحت 10 كلفن. انقسم المحيط الهادئ الواحد إلى قناتين متميزتين.

1. المسار البطيء: استمرت مجموعة من اللفات المغزلية في التصرف مثل المحيط الهادئ ذي الفجوة. كانت لا تزال تحتاج إلى طاقة لتتحرك، مما يحافظ على الطبيعة "المتجزئة" للسائل الكمومي.
2. المسار السريع: بدأت المجموعة الأخرى من اللفات المغزلية فجأة في الجنون. بدأت تتصرف كـ "سائل بلا فجوة"، حيث يمكن لأقل دفعة بسيطة أن تجعلها تتحرك. اتبع سلوكها قاعدة تسمى "قانون كوريور" (Korringa law)، والتي تُرى عادة في المعادن، وليس في هذه السوامات الكمومية الغريبة.

هذا الانقسام هو الدليل القاطع على ما يسميه المؤلفون طور غريفيث الكمومي. تخيل مدينة حيث بعض الأحياء متجمدة تماماً (المسار البطيء)، بينما في الجوار مباشرة، تعيش أحياء أخرى في حفلة صاخبة وعالية الطاقة (المسار السريع). يعمل الاضطراب في البلورة — أي ذرات الصوديوم المفقودة — كمهندس معماري فوضوي. فهو يشوه الروابط بين الذرات، مما يخلق لوحة فسيفسائية. بعض المناطق تصبح "غنية بالفيسونات" (مليئة بعيوب التدفق المغناطيسي) وبلا فجوة، بينما تظل مناطق أخرى "فقيرة بالفيسونات" وذات فجوة.

تستبعد الورقة صراحةً فكرة أن المادة قد تجمدت ببساطة في ترتيب مغناطيسي قياسي، مثل نمط الزجزاج، عند درجات الحرارة المنخفضة. لو فعلت ذلك، لكانت إشارات NMR قد بدت مختلفة جداً، بأشكال حادة ومتوقعة. بدلاً من ذلك، كانت الإشارات عريضة وفوضوية، وهو ما لا يمكن تفسيره إلا بحالة كمومية معقدة ومضطربة. كما استبعدوا أيضاً فكرة أن هذا مجرد "زجاج مغزلي" (فوضى عشوائية متجمدة)، لأن طريقة استرخاء اللفات المغزلية لم تطابق أنماط الزجاج.

استخدم الباحثون محاكاة حاسوبية قوية (حسابات DFT) لدعم نتائجهم. قاموا ببناء نموذج افتراضي للبلورة مع الذرات المفقودة وتركوا الحاسوب يريح البنية. أظهرت المحاكاة أن الذرات المفقودة قامت بطبيععتها بليّ الروابط بين ذرات الكوبالت بنسبة 3% تقريباً، وهو ما يكفي لتشتيت القوى المغناطيسية بنسبة 30% تقريباً. وقد أكد هذا أن الاضطراب كان قوياً بما يكفي لخلق تلك الرقع المتفاوتة بين المناطق ذات الفجوة والمناطق التي لا فجوة فيها.

علاوة على ذلك، اكتشفوا تقلبات مغزلية "فائقة البطء". وبينما كان المسار السريع فوضوياً، كانت هناك أيضاً لفات مغزلية تتحرك ببطء شديد، تستغرق ميكروثانية للتحول. تبعت هذه التحركات البطيئة "قانون تنشيط أرينيوس"، مما يعني أنها كانت تحاول تسلق تلة طاقة صغيرة تبلغ حوالي 4.9 كلفن. وهذا هو سمة طور غريفيث، حيث تتصرف مناطق نادرة وخاصة في المادة بشكل مختلف عن البقية.

باختأصار، تشير الورقة إلى أنه في مادة Na2Co2TeO6، ليس الاضطراب خطأً برمجياً، بل هو ميزة. فبدلاً من تدمير سائل اللف المغزلي الكمومي، يعيد الاضطراب الطبيعي في البلورة تشكيله إلى "طور غريفيث". إنه حالة يكون فيها المزيج الديناميكي من الجزر ذات الفجوات والبحار التي لا فجوة فيها، وكلها تتعايش معاً. ويخلص المؤلفون إلى أن هذه الحالة المدفوعة بالاضطراب هي شكل متين وناشئ من المادة المتجزئة، مما يثبت أنه حتى في بلورة فوضوية، يمكن للفيزياء الغريبة والجميلة للعالم الكمومي ألا تنجو فحسب، بل أن تزدهر أيضاً في شكل جديد وغير متجانس.