لاحظ العلماء بشكل مباشر خاصية هندسية دقيقة للإلكترونات في عازل طوبولوجي ثلاثي الأبعاد.
تقوم الإلكترونات التي تتحرك عبر سطح العازل الطوبولوجي بأكثر من مجرد حمل الشحنة الكهربائية. تمتلك حالاتها الكمومية أيضًا بنية هندسية يمكن أن تؤثر على كيفية تصرف المادة. وقد لاحظ الباحثون الآن بشكل مباشر قياسًا واحدًا لهذه البنية، يُعرف باسم القياس الكمي، في عازل طوبولوجي ثلاثي الأبعاد.
كما وجد الفريق الدولي، بقيادة باحثين في جامعة جنيف (UNIGE)، أنه يمكن التحكم في التأثير كهربائيًا. نشرت في مواد الطبيعة، فإن النتائج توسع القياسات السابقة للقياس الكمي إلى فئة رئيسية من المواد التي يتم فحصها للإلكترونيات المستقبلية وتقنيات الكم.
لماذا تتصرف العوازل الطوبولوجية بشكل مختلف
تحتل العوازل الطوبولوجية أرضية وسطية غير عادية بين الموصلات والعوازل التقليدية. يقاوم تصميمها الداخلي تدفق التيار الكهربائي، بينما تستطيع الإلكترونات التحرك على طول أسطحها. ينشأ هذا المزيج من الخصائص الكمومية للحالات الإلكترونية للمادة وليس ببساطة من الاختلافات في المقاومة الكهربائية.
يتم وصف تلك الإلكترونات السطحية بحالات كمومية يمكن وصف هندستها رياضيًا. أحد أجزاء هذا الوصف هو المقياس الكمي، الذي يقيس مدى سرعة تغير الحالة الكمومية للإلكترون مع تغير زخمه. إن الوصول إلى هذه الكمية تجريبيًا يمنح الفيزيائيين طريقة أخرى لدراسة السلوك المجهري للمواد الكمومية.
من النظرية إلى القياس المباشر
حتى وقت قريب، ظل مقياس الكم مفهومًا نظريًا إلى حد كبير. في عام 2025، أبلغ فريق بقيادة أندريا كافيليا، الأستاذ في قسم فيزياء المادة الكمومية (DQMP)، قسم الفيزياء بكلية العلوم بجامعة جنيف، عن قياس تجريبي باستخدام مادة كمومية مصنوعة من تيتانات السترونتيوم وألومينات اللانثانوم.
يوضح جياكومو سالا، باحث أول مشارك في UNIGE DQMP والمؤلف الرئيسي للدراسة: “هناك العديد من عائلات العوازل الطوبولوجية”. “تتكون المادة التي استخدمناها في هذا العمل من الأنتيمون والتيلوريوم، وهما معدنان لهما خصائص متوسطة بين خصائص المعادن وغير المعادن. وهي واحدة من أكثر العوازل الطوبولوجية التي تمت دراستها على نطاق واسع حتى الآن، وتطبيقاتها المحتملة واعدة للغاية.”
التحكم الكهربائي في هندسة الكم
لقد فعل الباحثون أكثر من مجرد إعادة إنتاج الملاحظة السابقة في مادة أخرى. وتشير قياساتهم إلى أن التأثيرات الكمومية في العازل الطوبولوجي يمكن تعديلها باستخدام التحكم الكهربائي، وربط هندسة الحالات الكمومية الإلكترونية بمقبض تجريبي عملي.
يقول أندريا كافيجليا، الذي قاد البحث: “تمتد هذه النتائج الجديدة وتؤكد ملاحظاتنا السابقة، والتي تم الحصول عليها باستخدام مادة مختلفة تمامًا. علاوة على ذلك، فإنها تظهر أنه يمكن التحكم في تأثيرات القياس الكمي كهربائيًا”. “أصبح لدى المجتمع العلمي بأكمله الآن خاصية جديدة لاستكشافها في مواد المستقبل، وخاصة لدراسة كيف يمكن للخصائص الهندسية للإلكترونات أن تكشف عن الطبيعة الأساسية لهذه المواد.”
المرجع: “اختبار القياس الكمي للعوازل الطوبولوجية ثلاثية الأبعاد” بقلم جياكومو سالا، وإيمانويل لونغو، وماريا تيريزا ميركالدو، وستيفانو جاريجليو، وماريو كوكو، وروبرتو مانتوفان، وكارمين أورتيكس، وأندريا د. كافيجليا، 22 مايو 2026، مواد الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41563-026-02617-3
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.
