أول مادة كمومية في العالم تعمل بدرجة حرارة الغرفة تفرز الضوء بطريقة غير مسبوقة

يمكن للمواد الكمومية أن تحول تقنيات تتراوح بين أجهزة الكمبيوتر القوية والاتصالات الآمنة للغاية إلى أنظمة الطاقة المتقدمة، ولكن هناك عقبة رئيسية واحدة تقف في الطريق منذ فترة طويلة.

تكشف معظم المواد الكمومية عن خصائصها غير العادية فقط عندما يتم تبريدها إلى درجات حرارة قريبة الصفر المطلق. في درجة حرارة الغرفة، يمكن للاهتزازات الذرية المستمرة الناجمة عن الحرارة أن تتغلب على التأثيرات الكمومية الهشة التي يريد الباحثون التحكم فيها. ويتطلب قمع هذه الحركة أنظمة تبريد كبيرة الحجم، مما يجعل العديد من المواد الواعدة مقتصرة على التجارب المعملية، بدلا من الأجهزة العملية.

LSU ابتكر الفيزيائيون أول مادة كمومية بدرجة حرارة الغرفة يمكنها التمييز بين الحالات الكمومية المختلفة للضوء ونقلها عبر مسارات منفصلة. ذكرت في طبيعة، يقدم العمل الذي يقوده الأستاذ المشارك في الفيزياء عمر س. ماجانيا لوايزا أيضًا استراتيجية عامة لتصميم مواد كمومية جديدة، مع تطبيقات محتملة في الحوسبة، والاتصالات الآمنة، والاستشعار، وتقنيات الطاقة المتقدمة.

يبني الباحثون ما تفتقر إليه الطبيعة

بالنسبة لتشينغ لونغ يو، وهو باحث سابق في مرحلة ما بعد الدكتوراه ويعمل الآن أستاذا في جامعة العلوم والتكنولوجيا الإلكترونية في الصين، فقد وصل المشروع إلى نقطة تحول عندما أدى التصميم غير التقليدي تماما كما تنبأت النظرية.

“أحد الأجزاء الأكثر إثارة في هذا المشروع هو إدراك أنه يمكننا بناء مادة تفعل شيئًا لا توفره الطبيعة بمفردها. وقال يو: “إن رؤيتها تعمل تمامًا كما توقعنا كانت أمرًا مجزيًا للغاية”.

وبدلاً من الاستمرار في البحث عن مادة طبيعية ذات السلوك المرغوب، قام الباحثون ببناء مادة من الألف إلى الياء.

بدأوا بتغطية شريحة زجاجية بطبقة رقيقة من الذهب. ثم تم استخدام حزم الأيونات المركزة لقطع مئات الفتحات المجهرية في المعدن. كل شق يعمل كشريحة اصطناعية ذرة، أو الذرة الفوقية. وبترتيبها معًا، تشكل هذه الهياكل بلورة لا تشبه أي شيء موجود في الطبيعة، بينما تظل أرق من شعرة الإنسان.

عندما يدخل الضوء إلى الشريحة، فإنه يتحرك على طول سطح الذهب ويواجه الذرات الفوقية. وقد سمح ضبط حجم هذه الهياكل وهندستها وتباعدها للباحثين بالتحكم في الضوء بطرق لم يتم إثباتها من قبل في درجة حرارة الغرفة.

يقول رايلي دوكينز، الذي أكمل مؤخراً درجة الدكتوراه: “من خلال هندسة توزيع الذرات الفوقية في البلورة البلازمونية، يمكننا أن نملي بشكل منهجي أي الإحصائيات الكمومية مسموح لها بالمرور عبر البنية. لذلك، تعمل بلورتنا بشكل أساسي كمرشح إحصائي للحالات الكمومية”. وينضم الآن إلى المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) بصفته مشاركًا لأبحاث ما بعد الدكتوراه في NRC.

تعاملت مجموعة الضوئيات الكمومية التابعة لـ Magaña-Loaiza في جامعة LSU مع كل جزء من الجهد، بما في ذلك المفهوم الأصلي، والعمل النظري، وتصميم المواد، والتصنيع النانوي، والاختبار التجريبي.

تقوم Metacrystal بفرز الحالات الكمومية تلقائيًا

لا تكمن أهمية العمل في المادة نفسها فحسب، بل في ما يمكن أن يقدمه أيضًا.

مصادر الضوء المختلفة لا تتصرف بشكل متطابق.

تنتج أشعة الشمس والليزر ومصابيح الفلورسنت فوتونات، لكن الجسيمات تختلف في كيفية تقلبها وتفاعلها. هذه الاختلافات الإحصائية الصغيرة تشكل سلوكهم الكمي. وحتى الآن، كان تحديدها يتطلب عمومًا معدات معقدة، وأجهزة كشف يتم تبريدها إلى درجات حرارة منخفضة للغاية، وملايين القياسات الفردية.

وتقوم البلورة الميتالية الجديدة بهذا الفرز من تلقاء نفسها. فبدلاً من الاستجابة فقط للخصائص المألوفة مثل الطول الموجي أو السطوع، فإنه يتعرف على الفروق الكمومية الدقيقة في الضوء الوارد ويرسل حالات مختلفة عبر مسارات منفصلة داخل المادة.

يمكن لبعض الولايات أيضًا السفر على طول هذه الطرق مع الاحتفاظ بالمزيد من إحصاءاتها المحددة.

وقالت ماجانيا لويزا: “نحن نسمي هذا النقل القوي”. “تحمل هذه الحالات الكمومية معلومات. وتستطيع بلورتنا تمييزها ونقلها من نقطة إلى أخرى بطريقة قوية دون الحاجة إلى التبريد المبرد. وهذا ما يفتح الباب أمام تقنيات الكم العملية.”

يُعرف هذا السلوك الكمي المشترك بالتماسك الكمي. تعد المحافظة عليها واحدة من أصعب المشكلات في علم المعلومات الكمومية. في دراسة Nature، وصف الباحثون البلورة المعدنية بأنها أول مادة كمومية في درجة حرارة الغرفة حساسة بطبيعتها للتماسك الكمي للأنظمة التي تحتوي على العديد من الجسيمات المتفاعلة.

ولأن البنية تختلف بشكل أساسي عن المواد الموجودة، فقد قدم الباحثون مصطلحًا جديدًا لها: البلورة البلازمونية الإحصائي الكمي.

قالت جاناتول فردوس، طالبة دراسات عليا في مجموعة ماجانيا لويزا: “بالنسبة لي، لم يكن هذا مجرد مشروع، بل كان جهدًا جماعيًا مبنيًا على فكرة إنشاء شيء جديد تمامًا في تكنولوجيا الكم”. “ما جعل الأمر مثيرًا حقًا هو أننا لم نقم بإنشاء فئة جديدة من المواد الكمومية في درجة حرارة الغرفة فحسب، بل قمنا أيضًا بتطوير نظرية لفهم سلوكها والتحكم فيه. رؤية هذه الفكرة تصبح حقيقة تجريبية كان أمرًا مجزيًا للغاية.”

تصبح العصابات الكمومية قابلة للبرمجة

ووجد الباحثون أيضًا أن البلورة الميتالية تنتج ما يسمونه النطاقات الإحصائية الكمومية. تشبه هذه النطاقات الإلكترونية التي تتحكم في كيفية انتقال الكهرباء عبر المواد شبه الموصلة.

إن تغيير ترتيب الذرات الفوقية يتيح للباحثين التحكم في الحالات الكمومية التي يمكن أن تمر عبرها دون تغيير والتي تظهر بإحصائيات مختلفة. وهذا يعني أن المواد المستقبلية قد يتم تصميمها بشكل متعمد لتوجيه حالات كمومية محددة بدلاً من الاعتماد على الخصائص المحدودة المتوفرة في المواد الطبيعية.

وبالتالي، تقدم النتائج إطارًا تصميميًا أوسع لبناء مواد كمومية إضافية، بدلًا من وصف جهاز واحد ناجح فقط.

تعمل عملية درجة حرارة الغرفة على توسيع التطبيقات

إن التشغيل دون تبريد شديد يمكن أن يجعل هذا المفهوم ذا صلة بما يتجاوز أبحاث الفيزياء الأساسية.

قد تقوم المواد ذات الصلة في نهاية المطاف بنقل المعلومات الكمومية الهشة داخل أجهزة الكمبيوتر الكمومية دون الحاجة إلى أنظمة التبريد الكبيرة المطلوبة اليوم. ويمكن للنهج نفسه أن يدعم شبكات اتصالات كمومية أكثر عملية، وأجهزة كشف حساسة للغاية، وغيرها من التقنيات الكمومية النامية.

كما أن التحكم الأكثر كفاءة في الضوء يمكن أن يكون له آثار على الطاقة المتجددة.

يُحتجز بعض ضوء الشمس الذي يدخل إلى خلية شمسية حديثة ويتحول في النهاية إلى حرارة بدلاً من الكهرباء. وتحد هذه الخسارة من كمية الطاقة القابلة للاستخدام التي يمكن للجهاز إنتاجها. إن البلورة المعدنية القادرة على توجيه الضوء عبر مسارات أكثر استقرارًا قد تحافظ على حصة أكبر من تلك الطاقة تتحرك عبر الخلية بدلاً من السماح لها بالتبدد.

تخطط Magaña-Loaiza للتحقيق في هذا الاحتمال بعد ذلك.

ويعتزم الباحثون وضع البلورة المعدنية داخل الخلايا الشمسية واختبار ما إذا كانت تزيد من جزء ضوء الشمس الوارد الذي يتحول إلى كهرباء. ستُظهر النتيجة الناجحة كيف يمكن للمادة التي تم تطويرها من خلال فيزياء الكم الأساسية أن تساهم بشكل مباشر في تقنيات الطاقة الشمسية المستقبلية.

المرجع: “البلورات البلازمونية الإحصائي الكمي” بقلم Chenglong You، وRiley B. Dawkins، وJannatul Ferdous، وMohammed Mehedi Hasan، وAadi Singh، وZiang Zhuang، وAddison Wilberg، وIan Baum، وBenjamin Bertoni، وMingyuan Hong، وOmar S. Magaña-Loaiza، 15 يوليو 2026، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-026-10782-3

يعترف الفريق بالتمويل من وزارة الطاقة الأمريكية، مكتب علوم الطاقة الأساسية، قسم علوم وهندسة المواد، بموجب جائزة DE-SC0021069.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.