يكتشف العلماء “جسيم شيطاني” بعيد المنال بعد ما يقرب من 70 عامًا من التنبؤ به لأول مرة

اكتشف العلماء “جسيمًا شيطانيًا” يمكن أن يؤدي إلى موصلات فائقة تقوم بتوصيل الكهرباء في درجة حرارة الغرفة – “الكأس المقدسة” للفيزياء.

الموصل الفائق عبارة عن معدن أو سبيكة معينة قادرة على توصيل الكهرباء دون مقاومة ، ولكن يجب أن تكون أقل من 100 فهرنهايت من درجة التجمد حتى تعمل.

حدد الباحثون في جامعة إلينوي مؤخرًا جسيمًا عديم الكتلة ، مما يعني أنه يمكن أن يتشكل في أي درجة حرارة ، في معدن السترونتيوم روثينات – بعد ما يقرب من 70 عامًا من تنبؤ العلماء به لأول مرة.

تُستخدم الموصلات الفائقة في عمليات مثل القطارات المرتفعة وأجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي عالية الدقة (MRI) ، لكن المواد التي تعمل في درجة حرارة الغرفة من شأنها أن تمهد الطريق لأجهزة كمبيوتر أكثر قوة.

تم اكتشاف الموصلية الفائقة منذ أكثر من 100 عام في الزئبق المبرد إلى درجة حرارة الهيليوم السائل عند سالب 452 فهرنهايت.

بعد اكتشاف الموصلية الفائقة في الزئبق ، لوحظت هذه الظاهرة أيضًا في مواد أخرى عند درجات حرارة منخفضة جدًا.

تضمنت المواد عدة معادن وسبائك النيوبيوم والتيتانيوم التي يمكن بسهولة تحويلها إلى سلك

تم التنبؤ بالجسيم الشيطاني لأول مرة من قبل الفيزيائي النظري ديفيد باينز في عام 1956 ، الذي اعتقد أن الإلكترونات ستتفاعل “بشكل غريب” عند المرور عبر مادة صلبة.

يمكن أن تفقد الإلكترونات شخصيتها الفردية في المواد الصلبة لأن التفاعلات الكهربائية تجعل الإلكترونات تتحد لتشكل وحدات جماعية.

بإعطاء طاقة كافية ، يمكن للإلكترونات تكوين جسيمات مركبة تسمى البلازمونات بشحنة وكتلة جديدة تحددها التفاعلات الكهربائية الأساسية.

ومع ذلك ، فإن الكتلة عادة ما تكون كبيرة جدًا بحيث لا يمكن للبلازمونات أن تتشكل بالطاقات المتاحة في درجة حرارة الغرفة – لكن باينز افترض أن هناك استثناء لهذا.

جادل الفيزيائي أنه إذا كانت المادة الصلبة تحتوي على إلكترونات في أكثر من نطاق طاقة واحد ، كما تفعل العديد من المعادن ، فإن البلازمونات الخاصة بها يمكن أن تتحد في نمط خارج الطور لتشكل مأكلًا محايدًا جديدًا عديم الكتلة – شيطان.

نظرًا لأن الشياطين عديمة الكتلة ، فيمكنها أن تتشكل بأي طاقة ويمكن أن توجد في أي درجة حرارة.

وقد أدى ذلك إلى تكهنات بأن لها تأثيرات أساسية على سلوك المعادن متعددة النطاقات.

تم الاكتشاف من قبل فريق من الباحثين بقيادة بيتر أبامونتي ، أستاذ الفيزياء في جامعة إلينوي في أوربانا شامبين ، الذي حدد تنبؤات باينز أثناء دراسة معدن السترونتيوم روثينات.

لم تكن التجربة مرتبطة بالموصلات الفائقة ، لكن المعدن يشبه الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية دون أن يكون واحدًا.

كان الباحثون يجرون أول تحقيق في الخصائص الإلكترونية للمعدن عن طريق تفجيره بالإلكترونات ، الأمر الذي استدعى الشيطان للتعرف على خصائص المعدن.

كان أبامونتي يعمل مع طالب الدراسات العليا السابق علي حسين في المشروع ، الذي قال ، “في البداية لم يكن لدينا أي فكرة عن ماهيته.

الشياطين ليسوا في التيار الرئيسي. ظهرت الاحتمالية في وقت مبكر جدًا وضحكنا عليها.

“ولكن عندما بدأنا في وضع الأمور جانبًا ، بدأنا نشك في أننا وجدنا حقًا الشيطان.”

طُلب من إدوين هوانغ ، باحث ما بعد الدكتوراه في مور في UIUC ومنظر المادة المكثفة ، في النهاية حساب خصائص التركيب الإلكتروني لروثينات السترونتيوم.

وقال هوانغ إن توقع “باينز” للشياطين يتطلب شروطًا محددة إلى حد ما ، ولم يعرف أحد ما إذا كان يجب أن يكون للسترونتيوم روثينات شيطان “.

كان علينا إجراء عملية حسابية مجهرية لتوضيح ما كان يجري. عندما فعلنا ذلك ، وجدنا جسيمًا مكونًا من شريطين من الإلكترونات تتأرجح خارج الطور بنفس القدر تقريبًا ، تمامًا كما وصفها باينز.