الكيمياء الفائقة الكمومية: ظاهرة غريبة تحدث عند أبرد درجات الحرارة

وعند درجات حرارة أعلى، تزداد سرعة تصادم الذرات ويزداد معدل تحول الذرات إلى جزيئات. ولكن عند درجات حرارة منخفضة جدًا، يحدث شيء غريب للغاية.

ففي هذه البرودة الشديدة، لا توجد طاقة حرارية تقريبًا، ومع ذلك تحدث التفاعلات الكيميائية بشكل أسرع مما تحدث عليه في درجات الحرارة العالية.

تُعرف هذه الظاهرة باسم "الكيمياء الفائقة الكمومية". وقد تم إثباتها أخيرًا العام الماضي، بعد أكثر من 20 عامًا من اقتراح الفيزيائيين لها لأول مرة.

في تلك التجربة، قام الفيزيائي تشنغ تشين من جامعة شيكاغو وزملاؤه بتحفيز مجموعة من ذرات السيزيوم عند بضع نانوكلفن فقط إلى نفس الحالة الكمومية.

 والمثير للدهشة أن كل ذرة لم تتفاعل بشكل منفصل. وبدلاً من ذلك، تفاعلت 100000 ذرة كوحدة واحدة، بشكل شبه فوري.

أدى أول إثبات لهذه العملية الغريبة إلى فتح نافذة للعلماء لفهم كيفية عمل التفاعلات الكيميائية بشكل أفضل في عالم ميكانيكا الكم الغريب، الذي يحكم سلوك الجسيمات دون الذرية. 

وقد يساعد أيضًا في محاكاة الظواهر الكمومية التي تكافح أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية لنمذجتها بدقة، مثل الموصلية الفائقة.

ولكن ما سيحدث بعد ذلك، كما هو الحال مع العديد من التطورات في البحث، يصعب التنبؤ به. ولا يخطط تشين، على سبيل المثال، للتوقف عن دراسة هذا الشكل الغريب من الكيمياء.

صيغ مصطلح "الكيمياء الفائقة" في عام 2000 لمقارنة هذه الظاهرة بتأثيرات غريبة أخرى، مثل الموصلية الفائقة والسيولة الفائقة، والتي تظهر عندما تكون أعداد كبيرة من الجسيمات في نفس الحالة الكمومية.

على عكس الموصلية الفائقة أو السيولة الفائقة، فإن "الكيمياء الفائقة" تختلف في أنها لا تزال بالكاد محققة، في حين أن هذه الظواهر الأخرى قد تمت دراستها على نطاق واسع في التجارب، كما قال دانيال هاينزن، المؤلف الرئيسي لدراسة عام 2000 وفيزيائي في جامعة تكساس في أوستن، لـ Live Science في رسالة بريد إلكتروني.

كان هاينزن وزميله بيتر دروموند، الذي يعمل الآن في جامعة سوينبرن للتكنولوجيا في أستراليا، يدرسان حالة خاصة من المادة تعرف باسم تكاثف بوز-أينشتاين (BEC)، حيث تصل الذرات إلى أدنى حالة طاقة لها وتدخل في نفس الحالة الكمومية.

 في هذا النظام، تبدأ مجموعات الذرات في التصرف بشكل أشبه بذرة واحدة. عند هذا المقياس الصغير، لا يمكن وصف الجسيمات بأنها في مكان أو حالة معينة. 

بدلاً من ذلك، لديهم احتمال أن يكونوا في أي مكان أو حالة معينة، والتي يتم وصفها بواسطة معادلة رياضية تُعرف باسم دالة الموجة.

في BEC، تمامًا كما تنبأ عمل ساتيندرا ناث بوز وألبرت أينشتاين، تصبح دوال الموجة الفردية لكل ذرة دالة موجة جماعية واحدة. 

أدرك هاينزن ودروموند أن مجموعة من الجسيمات ذات دالة الموجة نفسها تشبه الليزر - مجموعة من الفوتونات، أو حزم الضوء، التي لها نفس الطول الموجي. على عكس مصادر الضوء الأخرى، فإن قمم وقيعان موجة الليزر محاذية. وهذا يسمح للفوتونات بالبقاء مركزة في شعاع ضيق لمسافات طويلة، أو أن يتم تقسيمها إلى رشقات نارية قصيرة مثل الملايين من المليار من الثانية.

وبالمثل، أظهر هاينزن ودروموند وزملاؤهم رياضيًا أن الذرات في BEC يجب أن تتصرف بطرق لا تتصرف بها مجموعات الذرات الأخرى. بالقرب من الصفر المطلق، حيث لا توجد طاقة حرارية تقريبًا، تعني الكيمياء الفائقة الكمومية أن الذرات في BEC يمكن أن تتحول بسرعة وبشكل جماعي إلى جزيئات: سترتبط الذرات A في ومضة لتشكيل جزيئات A2، وهكذا.

تقول تشين إن العملية ستشبه انتقال الطور، كما هو الحال عندما يتجمد الماء السائل إلى جليد. وبفضل الغرابة الكمومية لهذه الأنظمة، فكلما زاد عدد الذرات المكثفة في BEC، زادت سرعة التفاعل، كما تنبأت حسابات هاينزن ودروموند.

رحلة البحث التي استمرت 20 عامًا

حاول هاينزن ومجموعته البحثية إثبات هذه الظاهرة بالتجارب لعدة سنوات. لكنهم لم يجدوا أبدًا دليلًا مقنعًا على حدوث التأثير. وقال هاينزن: "ثم توقفنا عن ذلك".

بينما تخلى هاينزن عن السعي لإثبات الكيمياء الفائقة الكمومية، كان آخرون لا يزالون يبحثون عن طرق لتحويل النظرية الجامحة إلى حقيقة تجريبية. وكان أحدهم تشين، الذي بدأ العمل على الكيمياء الفائقة الكمومية على الفور تقريبًا.

كان تشين طالب دكتوراه يدرس ذرات السيزيوم في درجات حرارة باردة عندما ظهرت ورقة هاينزن ودروموند عن الكيمياء الفائقة. وقال تشين لـ Live Science: "لقد خرج بحثي عن مساره تمامًا بسبب هذا البحث الجديد". شرع في ما سيصبح رحلة بحثية مدتها 20 عامًا لتحقيق الكيمياء الفائقة الكمومية في المختبر.

لم يكن الطريق مستقيمًا، وأخذ تشين فترات راحة في بعض الأحيان من العمل نحو الكيمياء الفائقة الكمومية. لكنه لم يتخل أبدًا عن هدفه.

وقال: "لم يكن أحد يعرف ما إذا كان هذا سينجح قبل أن يحدث. ولكن أيضًا لم يقل أحد أنه لا يمكن أن يحدث".

بعد عقد من التقدم البطيء، في عام 2010، اكتشف تشين وزملاؤه كيفية ضبط المجالات المغناطيسية بدقة على BEC لإقناع ذرات السيزيوم معًا لصنع جزيئات Cs2.

وقال تشين: "لقد قدم ذلك دليلًا على كيفية المضي قدمًا".

ولكن لإظهار حدوث الكيمياء الفائقة الكمومية، لا يزال فريقه بحاجة إلى طرق أفضل لتبريد جزيئات فائقة البرودة والتحكم فيها.

يستخدم العلماء عادةً تقنيتين لدفع الذرات والجزيئات إلى درجات حرارة فائقة البرودة. أولاً، تبرد أشعة الليزر الذرات إلى الملايين من الكلفن فوق الصفر المطلق.

 تمتص الذرات في العينة الفوتونات من ليزر مضبوط على طاقة محددة للغاية، مما يقلل من زخم الذرات ودرجة حرارة العينة بشكل تدريجي.

بعد ذلك، يستخدمون التبريد التبخيري. يتم حصر الذرات في هذه التجارب بواسطة ضوء الليزر أو المجالات المغناطيسية. يمكن للعلماء ضبط المصائد للسماح لأسرع الذرات - وبالتالي، الأكثر سخونة - بالهروب. تعمل هذه العملية على تبريد الذرات إلى مليارات الكلفن، حيث تكون الكيمياء الفائقة الكمومية ممكنة.

كانت الخطوة الثانية هي التي استغرق تشين ومعاونوه أطول وقت لإنجازها بشكل صحيح. لسنوات، استخدم مصائد على شكل وعاء تدفع الذرات معًا في المنتصف، مما يرفع درجة حرارة العينات.

منذ ست أو سبع سنوات، بدأت مجموعته في استخدام جهاز ميكروميرور رقمي للتحكم بشكل أفضل في شكل المصيدة. وكانت النتيجة؟ مصائد مسطحة القاع، على شكل شيء مثل أطباق بتري، حيث يمكن للذرات أن تنتشر وتبقى باردة للغاية.

حوالي عام 2020، صنعت مجموعة تشين أخيرًا BEC من جزيئات السيزيوم. كانت بعضًا من أبرد الجزيئات التي تم تصنيعها على الإطلاق، حوالي عشرة مليارات من الدرجة فوق الصفر المطلق. وبينما اشتبه الفريق في حدوث كيمياء فائقة كمومية، لم يكن لديهم دليل.

جاء هذا الدليل بعد ثلاث سنوات. بحلول ذلك الوقت، كانوا قد جمعوا دليلًا على سمتين مميزتين للكيمياء الفائقة الكمومية. أولاً، كان التفاعل يحدث بشكل جماعي، مما يعني أن العديد من ذرات السيزيوم أصبحت جزيئات سيزيوم في وقت واحد. وثانيًا، كان قابلاً للعكس، مما يعني أن الذرات ستصبح جزيئات، والتي ستصبح ذرات، وهكذا دواليك.

بالنسبة لتشين، فإن تجارب العام الماضي ليست سوى البداية. لقد أنتجوا جزيئات من ذرتين باستخدام الكيمياء الفائقة. لكن تشين يعتقد أن الجزيئات ثلاثية الذرات في متناول اليد، وهو متحمس لمعرفة ما يمكن أن يكون ممكنًا أيضًا.