اكتشاف إلكترونات (سرعة الضوء) تتحرك في 4 أبعاد لأول مرة

قام فريق من الفيزيائيين بقياس ما يعرف بإلكترونات "ديراك" في بوليمر فائق التوصيل، يسمى ثنائي "إيثيلينديثيو-تتراثيافولفالين". وتوجد هذه الإلكترونات في ظل ظروف تجعلها عديمة الكتلة، مما يسمح لها بالتصرف مثل الفوتونات والتذبذب بسرعة الضوء.

وقال الفريق الذي يقوده ريوهي أوكا، من جامعة إهيمي، إن هذا الاكتشاف سيسمح بفهم أفضل للمواد الطوبولوجية، وهي المواد الكمومية التي تعمل كعازل إلكتروني من الداخل وموصل من الخارج. وتتزايد أهمية الموصلات الفائقة، وأشباه الموصلات، والمواد الطوبولوجية، وخاصة فيما يتعلق بتطبيقاتها المحتملة في أجهزة الكمبيوتر الكمومية. ولكن الباحثين مازلوا لا يعرفون عن هذه المواد والطريقة التي تتصرف بها.

وتشير إلكترونات ديراك إلى الإلكترونات القديمة الشائعة في ظل ظروف غير عادية تتطلب جرعة من النسبية الخاصة لفهم السلوكيات الكمومية. وهنا، فإن تداخل الذرات يضع بعض إلكتروناتها في مساحة غريبة تسمح لها بالقفز حول المواد ذات كفاءة طاقة ممتازة.

وتم صياغة هذه الإلكترونات من معادلات عالم الفيزياء النظرية بول ديراك، منذ ما يقرب من قرن من الزمان. ويواجه الفيزيائيون عثبة لفهم إلكترونات ديراك، وذلك لأنها تتعايش مع الإلكترونات القياسية، مما يعني أن اكتشاف وقياس نوع واحد أمر صعب للغاية بشكل لا لبس فيه. ووجد أوكا وزملاؤه طريقة للقيام بذلك من خلال الاستفادة من خاصية تسمى رنين الإلكترون المغزلي.

والإلكترونات هي جسيمات مشحونة تدور؛ هذا التوزيع الدوري للشحنة يعني أن كل منهما يظهر ثنائي القطب المغناطيسي. لذلك، عندما يتم تطبيق مجال مغناطيسي على مادة ما، فإنه يمكن أن يتفاعل مع دوران أي إلكترونات غير متزاوجة فيها، مما يغير حالة دورانها.

يمكن لهذه التقنية أن تسمح للفيزيائيين باكتشاف ومراقبة الإلكترونات غير المتزاوجة. وكما وجد أوكا والباحثون الآخرون، يمكن أيضًا استخدامه لمراقبة سلوك إلكترونات ديراك بشكل مباشر في ثنائي (إيثيلينديثيو)-رباعي الفالين، مما يميزها عن الإلكترونات القياسية كأنظمة دوران مختلفة.

وجد الفريق أنه من أجل فهمه بشكل كامل، يجب وصف إلكترون ديراك في أربعة أبعاد. هناك الأبعاد المكانية الثلاثة القياسية، وهي المحاور x وy وz؛ ثم هناك مستوى طاقة الإلكترون، الذي يشكل البعد الرابع. يوضح الباحثون في ورقتهم البحثية : "نظرًا لأنه لا يمكن تصوير هياكل النطاقات ثلاثية الأبعاد في مساحة رباعية الأبعاد، فإن طريقة التحليل المقترحة هنا توفر طريقة عامة لتقديم معلومات مهمة وسهلة الفهم حول هياكل النطاقات هذه التي لا يمكن تحليلها".

ومن خلال تحليل إلكترون ديراك بناءً على هذه الأبعاد، تمكن الباحثون من اكتشاف شيء لم نكن نعرفه من قبل. وسرعة حركتهم ليست ثابتة؛ بل يعتمد على درجة الحرارة وزاوية المجال المغناطيسي داخل المادة. وهذا الاكتشاف يعني أن لدينا الآن قطعة أخرى من اللغز تساعدنا على فهم سلوك إلكترونات ديراك، وهو ما قد يساعد في تسخير خصائصها في التكنولوجيا المستقبلية.