ماء الكم الكاشف: اكتشاف مرحلة جديدة من المواد التي تسمح للضوء بالتدفق دون摩擦

ماء الكم الكاشف: اكتشاف مرحلة جديدة من المواد التي تسمح للضوء بالتدفق دون摩擦. المراقبين من جامعة كامبريدج والمنظمات الدولية نجحوا في خلق كوندناسات بوز-أينشتاين بولاريتون في درجة حرارة الغرفة، مما يؤدي إلى مرحلة جديدة من المواد التي تعرف باسم ماء الكم للضوء. في هذه المرحلة، يتصرف الفوتون (الضوء) مثل ماء سائل سحري يتدفق دون摩擦 ويتشكل الورديكس. اكتشاف هذا المنشور في *Nature Physics* يفتح الباب لتقنيات فوتونيكية سريعة جداً، وعمليات الحوسبة البولارية البصرية، ومعالجة البيانات دون فقدان الطاقة.. مقدمة: عندما تصبح الضوء ماءً لعدة قرون، اعتبر الإنسان الضوء موجة كهرومغناطيسية تتحرك بشكل مستقيم أو كتلة فوتون لا تملك كتلة. ومع ذلك، اكتشف العلماء مؤخراً في الفيزياء الكمومية جانب آخر للضوء أكثر غموضًا ومدهشًا: يمكن للضوء أن يتحول إلى ماء. ليس الماء العادي مثل الماء، ولكن ماء كمومي يعرف باسم كوندناسات بوز-أينشتاين BEC بولاريتون. في هذه الحالة، يلتحم الفوتون مع الإكسيتون الزوج الإلكتروني-الفجوة في المواد السيميكوندكتورية لتشكيل جزيئات بولاريتون. عندما يبرد هذا البولاريتون إلى درجات حرارة منخفضة جداً، يصل إلى مرحلة جديدة من المواد حيث يتصرف كل الجزيئات مثل موجة ضخمة متسقة، مما يسمح للضوء بالتدفق دون摩擦 وتشكل الورديكس مثل ماء سائل سحري. ما هو ماء الكم للضوء؟ ماء الكم للضوء، أو كوندناسات بوز-أينشتاين بولاريتون، هي مرحلة جديدة من المواد التي تظهر عند درجات حرارة كريوجينية عادة ما تكون قريبة من الصفر абсолют . ومع ذلك، تم نشر دراسة حديثة في Nature Physics في عام 2024 من قبل فريق من العلماء من جامعة كامبريدج، مع شركاء من جامعة بيتسبيرغ وجامعة فيرزبورغ، نجحوا في خلق BEC بولاريتون في درجة حرارة الغرفة. هذا هو تحول كبير لأن BEC لم يكن يمكن تحقيقه سابقاً إلا عند درجات حرارة قريبة من الصفر абсолют باستخدام الليزر والتعريض بالتجمد. استخدم هذا الفريق حفرة ضوئية ميكروسكوبية مصنوعة من بيروفسيت هاليد المعدني، وهو مادة سيميكوندكتورية مشهورة بفعاليتها العالية في الخلايا الشمسية. في هذه الحفرة، يلتصق الفوتون وي взаимодейств مع الإكسيتون بدرجة قوية، مما يؤدي إلى تشكل بولاريتون مستقر بما يكفي لتحقيق كوندناسات في درجة حرارة الغرفة. التجربة الحديثة في كامبريدج: خلق سائل فوتوني سحري في تجربة قادها الدكتور راجيف سينغ وبروفيسور سير جون بيندري، نجح الفريق في تصميم حفرة ضوئية سميكة بعدوى عدة ميكرومترات ممتلئة ببلاطة بيروفسيت. عندما يضرب الليزر بدرجة عالية في الحفرة، يتشكل البولاريتون ويبدأ في التكثف إلى حالة كمومية متسقة. ثم استخدم الفريق تقنية التصوير عالية الدقة لمراقبة ديناميك كوندناسات. وجدوا أن كوندناسات البولاريتون هذه تظهر صفات سائل سحري: تدفق دون摩擦 عبر الحواجز، وتشكل الورديكس عند دورانها. "هذا هو أول مرة نرى الورديكس الكمومي في ماء الضوء في درجة حرارة الغرفة"، قال الدكتور سينغ في بيان صحفي للجامعة. "هذا الورديكس هو دليل واضح على أننا وصلنا إلى مرحلة سائل سحري، حيث يفقد الضوء صفاته الكمومية الفردية ويتصرف ككيان كمومي واحد." التأثيرات على التكنولوجيا المستقبلية اكتشاف ماء الكم للضوء في درجة حرارة الغرفة يحتوي على تأثيرات عميقة في مجالات التكنولوجيا المختلفة. أولاً، في مجال الفوتونيك، يمكن استخدام سائل الضوء السحري لإنشاء ليزر ضوئي لا يخسر الطاقة بسبب التشتت أو التخزين. هذا يعني أن الإشارات الضوئية يمكن أن تنتقل في البطاريات الضوئية دون تدهور، مما يسمح بمعالجة البيانات بسرعة الضوء مع كفاءة الطاقة قريبة من المثالية. ثانياً، في مجال الحوسبة الكمومية، يمكن أن تشكل كوندناسات البولاريتون منصة لإنشاء قبت كفء الاستقرار. لأن البولاريتون هو جزيء كمومي يمكن أن يتحكم به الليزر، فهو يقدّم طريقة أسهل لإنشاء قبت منطقية كمومية مقارنة بالحبس الأيون أو اللوحات السーパكوندكتورية. ثالثاً، في مجال الرصد، يمكن استخدام الورديكس الكمومي في ماء الضوء لقياس الدوران أو الحقول المغناطيسية بدرجة دقة لا مثيل لها، مما يفتح أبوابًا في مجال التنقل والتصوير الطبي. التحديات والاتجاهات المستقبلية للبحث على الرغم من أن هذا الاكتشاف يبدو مذهلاً، إلا أنه يوجد تحديات يجب أن تتمكن من التغلب عليها قبل أن يتمكن التكنولوجيا من التطبيق. أحد التحديات الرئيسية هو استقرار كوندناسات البولاريتون في درجة حرارة الغرفة. على الرغم من أن الفريق من جامعة كامبريدج نجح في إنشاءها، إلا أن كوندناساتها لا تستمر سوى بفترة قصيرة قبل أن يفقدها استقرارها. يبذل العلماء الآن جهودًا لتمديد فترة استقرار كوندناسات البولاريتون عن طريق تحسين التصميم الحفرة والبلاطة البيروفسيتية. بالإضافة إلى ذلك، يبقى التحكم في الورديكس الكمومي أمرًا صعبًا؛ يجب على الفريق أن يطور تقنيات لإنشاء وتحكم الورديكس بشكل محدد. أعلنت جامعة كامبريدج عن شراكة مع مختبر الفوتونيك الوطني في اليابان لإنشاء نموذج أولي للبطاريات الضوئية السحرية في غضون خمس سنوات. الخاتمة: الحدود الجديدة في الفيزياء الكمومية ماء الكم للضوء ليس مجرد ظاهرة مختبرية غريبة؛ فهو يمثل حافة جديدة في فهمنا للمواد والطاقة. مع قدرة التحكم في الضوء على مستوى الكم دون فقدان الطاقة، قد نرى ثورة في كيفية معالجة المعلومات، والتواصل، والقياس للعالم. هذا الاكتشاف يذكرنا أيضًا بأن العالم لا يزال يخفي الكثير من المفاجآت، حيث يمكن أن يتحول ما يبدو مستحيلاً - الضوء الذي يتدفق مثل ماء سحري - إلى واقع من خلال الإبداع والالتزام العلمي. بالنسبة لماليزيا، هذا المجال يفتح آفاقًا للاستثمار في البحث الفوتونيكي الكمومي، خاصة مع الخبرة الحالية في البيروفسيت في الجامعات المحلية. في يوم ما، قد نرى بطاريات ضوئية سحريّة مصنوعة في ماليزيا التي تسوق الاقتصاد الرقمي للبلاد.