تويت
بعد 85 عام من البحث اكد الباحثون على وجود جسيمات عديمة الكتلة لاول مرة تدعى وايل فيرميون ” Weyl fermion” لها القدرة الفريدة ان تسلك سلوك المادة والمادة المضادة داخل البلورة, تستطيع هذه الجسيمات الغريبة ان تخلق الكترونات بدون كتلة. الاكتشاف عظيم للغاية ليس فقط لاننا اثبتنا وجود هذه الجسيمات المراوغة ولكن لانها تمهد الطريق للالكترونيات الاكثر كفاءة وكذلك لانواع جديدة من عمليات الحاسوب الكمومية ” quantum computing”. جسيمات وايل فيرميون يمكن ان تستخدم لحل التزاحمات التي تحصل مع الالكترونات في مجال الالكترونيات لانها تستطيع التحرك بطريقة منتظمة اكثر كفاءة من الالكترونات, يقول الباحث الفيزيائي محمد زاهد حسن “M. Zahid Hasan” من جامعة برنستون “Princeton University”: “هذه الجسيمات قد تؤدي الى نوع جديد من الالكترونيات تدعى وايلترونات “Weyltronics”.”
اذن ما هي جسيمات وايل فيرميون بالضبط؟
بالرغم من اننا تعلمنا في المدارس الثانوية بان الكون مكون من ذرات. لكن من وجهة نظر الفيزياء الذرية بالحقيقة ان كل شي مكون من فيرميونات ” fermions” وبوزونات ” bosons”. ببساطة جدا الفيرميونات هي اللبنات التي تشكل جميع المادة كالالكترونات, اما البوزونات هي الاشياء التي تحمل القوة كالفوتونات. تعتبر الالكترونات هي العمود الفقري للالكترونيات اليوم اذ انها تحمل الشحنة بشكل جيد الا انها لديها نزعة لتصطدم مع بعضها البعض وتتشتت وبذلك تفقد جزء من الطاقة وتولد حرارة.
في عام 1929 افترض هيرمان وايل ” Hermann Weyl” ,فيزيائي الماني, وجود فيرميونات عديمة الكتلة والتي تحمل شحنة اكثر كفاءة من الاكترونات العادية واظهر الفريق في برنستون ان الجسيمات موجودة بالفعل, الكترونات وايل تستطيع ان تحمل الشحنات على الاقل 1000 مرة اسرع من الالكترونات في اشباه الموصلات العادية واسرع بمرتين في مادة الجرافين ” graphene”.
انها ايضا اكثر كفاءة من الالكترونات كما اثبتت التقارير المنشورة في مجلة ساينس “Science” لان الدوران المغزلي “Spin” لجميع الجسيمات في نفس الاتجاه, يطلق عليه الفيزيائيون اليد اليمنى “Right-Handed” اما الاتجاه المعاكس يدعى اليد اليسرى “Left-Handed”. وهذا يعني ان جميع الفيرميونات تتحرك في نفس الطريقة تماما ويمكن ان تعبر من خلال وحول العوائق التي من شأنها ان تشتت الالكترونات الاعتيادية.
وقال محمد زاهد حسن في بيان صحفي : ” كأن هذه الجسيمات تمتلك جي بي اس “GPS” خاص بها وتوجه حركتها بدون تشتيت, سوف تتحرك وتتحرك فقط في اتجاه واحد طالما ان دورانها المغزلي باتجاه اليد اليمنى او اليد اليسرى ولا تصل الى نهاية لانها فقط مستمرة في المرور,يمكن اعتبارها الكترونات فائقة السرعة تتصرف وكأنها حزمة من الضوء احادي الاتجاه ويمكن استخدامها في عمليات الحاسوب الكمومية.”
ما هو مميز في الاكتشاف ان الباحثون قد اكتشفوا جسيمات وايل فيرميون في بلورة اصطناعية في المختبر خلافاً لمعظم الجسيمات الاخرى مثل بوزون هيغز الشهيرة التي ظهرت في الحطام الناتج عن تصادم الهايدرونات. هذا يعني ان الجسيمات يمكن انتاجها بسهولة وسيتمكن العلماء من معرفة كيفية استخدام جسيمات وايل فيرميون في مجال الالكترونيات. وجد الفريق الجسيم بعد تحضير بلورة شبه معدنية تدعى تانتاليوم الزرنيخ “tantalum arsenide” والتي سبق ان اُثبتت من قبل الباحثين في الصين انها المادة المتوقعة ان تحتوي على جسيمات وايل فيرميون. بعد العثور على اثار هذه الجسيمات في المختبر اخذوا البلورات الى مختبر لورانس بيركلي الوطني ” Lawrence Berkeley National Laboratory” في كاليفورنيا حيث اطلقوا على البلورة حزمة من الفوتونات بطاقة عالية وعند تلقي الحزمة من الجانب الاخر اثبتت القراءات ان البلورة تحتوي على جسيمات وايل فيرميون.
جسيمات وايل فيرميون تعرف ايضا بأسم اشباه الجسيمات ” quasiparticles” التي تعني انها يمكن ان تتواجد فقط في المواد الصلبة كالبلورات وليس جسيمات مستقلة. لكن البحوث القادمة ستساعد العلماء على معرفة فائدة هذه الجسيمات. وقال محمد زاهد حسن “فيزياء وايل فرميون هي غريبة جدا، يمكن أن يكون هناك الكثير من الامور التي تنشأ عن هذا الجسيم أننا فقط غير قادرين على تخيلها الآن. لا يمكننا أن ننتظر لاكتشاف ذلك.”
اذن ما هي جسيمات وايل فيرميون بالضبط؟
بالرغم من اننا تعلمنا في المدارس الثانوية بان الكون مكون من ذرات. لكن من وجهة نظر الفيزياء الذرية بالحقيقة ان كل شي مكون من فيرميونات ” fermions” وبوزونات ” bosons”. ببساطة جدا الفيرميونات هي اللبنات التي تشكل جميع المادة كالالكترونات, اما البوزونات هي الاشياء التي تحمل القوة كالفوتونات. تعتبر الالكترونات هي العمود الفقري للالكترونيات اليوم اذ انها تحمل الشحنة بشكل جيد الا انها لديها نزعة لتصطدم مع بعضها البعض وتتشتت وبذلك تفقد جزء من الطاقة وتولد حرارة.
في عام 1929 افترض هيرمان وايل ” Hermann Weyl” ,فيزيائي الماني, وجود فيرميونات عديمة الكتلة والتي تحمل شحنة اكثر كفاءة من الاكترونات العادية واظهر الفريق في برنستون ان الجسيمات موجودة بالفعل, الكترونات وايل تستطيع ان تحمل الشحنات على الاقل 1000 مرة اسرع من الالكترونات في اشباه الموصلات العادية واسرع بمرتين في مادة الجرافين ” graphene”.
انها ايضا اكثر كفاءة من الالكترونات كما اثبتت التقارير المنشورة في مجلة ساينس “Science” لان الدوران المغزلي “Spin” لجميع الجسيمات في نفس الاتجاه, يطلق عليه الفيزيائيون اليد اليمنى “Right-Handed” اما الاتجاه المعاكس يدعى اليد اليسرى “Left-Handed”. وهذا يعني ان جميع الفيرميونات تتحرك في نفس الطريقة تماما ويمكن ان تعبر من خلال وحول العوائق التي من شأنها ان تشتت الالكترونات الاعتيادية.
وقال محمد زاهد حسن في بيان صحفي : ” كأن هذه الجسيمات تمتلك جي بي اس “GPS” خاص بها وتوجه حركتها بدون تشتيت, سوف تتحرك وتتحرك فقط في اتجاه واحد طالما ان دورانها المغزلي باتجاه اليد اليمنى او اليد اليسرى ولا تصل الى نهاية لانها فقط مستمرة في المرور,يمكن اعتبارها الكترونات فائقة السرعة تتصرف وكأنها حزمة من الضوء احادي الاتجاه ويمكن استخدامها في عمليات الحاسوب الكمومية.”
ما هو مميز في الاكتشاف ان الباحثون قد اكتشفوا جسيمات وايل فيرميون في بلورة اصطناعية في المختبر خلافاً لمعظم الجسيمات الاخرى مثل بوزون هيغز الشهيرة التي ظهرت في الحطام الناتج عن تصادم الهايدرونات. هذا يعني ان الجسيمات يمكن انتاجها بسهولة وسيتمكن العلماء من معرفة كيفية استخدام جسيمات وايل فيرميون في مجال الالكترونيات. وجد الفريق الجسيم بعد تحضير بلورة شبه معدنية تدعى تانتاليوم الزرنيخ “tantalum arsenide” والتي سبق ان اُثبتت من قبل الباحثين في الصين انها المادة المتوقعة ان تحتوي على جسيمات وايل فيرميون. بعد العثور على اثار هذه الجسيمات في المختبر اخذوا البلورات الى مختبر لورانس بيركلي الوطني ” Lawrence Berkeley National Laboratory” في كاليفورنيا حيث اطلقوا على البلورة حزمة من الفوتونات بطاقة عالية وعند تلقي الحزمة من الجانب الاخر اثبتت القراءات ان البلورة تحتوي على جسيمات وايل فيرميون.
جسيمات وايل فيرميون تعرف ايضا بأسم اشباه الجسيمات ” quasiparticles” التي تعني انها يمكن ان تتواجد فقط في المواد الصلبة كالبلورات وليس جسيمات مستقلة. لكن البحوث القادمة ستساعد العلماء على معرفة فائدة هذه الجسيمات. وقال محمد زاهد حسن “فيزياء وايل فرميون هي غريبة جدا، يمكن أن يكون هناك الكثير من الامور التي تنشأ عن هذا الجسيم أننا فقط غير قادرين على تخيلها الآن. لا يمكننا أن ننتظر لاكتشاف ذلك.”