أينشتاين على شريحة: عندما "ينحني" مسار الإلكترون بفعل هندسة خفية

إذا قُدّر لك أن تتابع شعاع ضوء يمر قرب نجم ضخم، فإنك قد ترى شيئًا عجيبًا، وهو أن هذا الشعاع سينحني بينما يمر أعلى النجم، وكأن الأخير مغناطيس قد جذبه. لا ينحني الضوء لأن هناك شيئًا يجذبه، بل لأن "الزمكان" نفسه ينحني، فتسير أشعة الضوء على مسارات منحنية.

هذا التشبيه الأينشتايني عاد للظهور، لكن في مكان غير متوقع، وهو الشرائح الإلكترونية، حيث اكتشف باحثون أن الإلكترونات يمكن أن تتأثر بهندسة خفية في الفضاء الكمومي، فتبدو مساراتها وكأنها تتقوّس بطريقة تشبه مجازًا تقوّس الضوء بالجاذبية.

ليست ما سبق محاولة لربط الإلكترون بالجاذبية فعليًا، بل قصة عن نوع جديد من الهندسة في فيزياء المادة المكثفة، والتي تدرس خصائص المادة في حالتيها الصلبة والسائلة، وكيف تنشأ هذه الخصائص من تفاعل الذرات مع بعضها وفق قوانين ميكانيكا الكم.

وقد نجح فريق من جامعة جنيف بالتعاون مع جامعة ساليرنو ومعهد "سي إن آر سبين" في إيطاليا في رصد أثر تجريبي واضح لهذا المفهوم (الهندسة الكمومية) في مادة معروفة، ونشروا النتائج في دراسة بدورية "ساينس" (Science) المرموقة.

مصدر الصورة

هندسة المواد

تقنيات المستقبل، مثل الحوسبة فائقة السرعة، تعتمد على مواد تتصرف وفق قواعد الكم، لا وفق الحدس الكلاسيكي.

ميكانيكا الكم هي النظرية التي تصف سلوك الجسيمات الصغيرة جدًا مثل الإلكترونات والفوتونات، ولا تعاملها ككرات لها مسار محدد دائمًا، بل كنظام له مجموعة احتمالات لما يمكن أن يحدث.

تصميم المواد الجديدة الدقيقة، في هذا السياق، يشبه محاولة قيادة سيارة في ضباب كثيف، فنحن نعرف وجهتنا، لكننا لا نرى كل التفاصيل الدقيقة التي تتحكم في حركة الإلكترونات داخل الشبكات البلورية، وهي الشبكات التي تنتظم الذرات فيها.

في ميكانيكا الكم، فإن للإلكترون قانون يحكم تصرفاته ويصف سلوكه، يسمى "الدالة الموجية"، وعندما تتغير شروط البيئة المحيطة، مثل المجال الكهربائي أو المغناطيسي أو ترتيب الذرات، تتغير هذه الدالة، وتختلف حالتان كموميتان عن بعضهما البعض بسبب ذلك.

هذا الاختلاف هو ما يلتقطه مفهوم "المقياس الكمومي"، والذي يعد طريقة لقياس المسافة بين الحالات الكمومية، وهو جزء من كيان أوسع يدعى "الموتر الهندسي الكمومي".

مصدر الصورة

تطبيقات واعدة

وبحسب الدراسة، فإن الفريق لم يرَ تلك الهندسة عبر الكاميرا، بل رصد أثرها عبر قياس انحراف الجسيمات عن سلوكها الخطي المعتاد تحت تأثير حقول مغناطيسية قوية، وظهر أن هناك بالفعل هندسة كمومية حقيقية.

ثم تأتي الخطوة الأذكى، فهذا المقياس يمكن أن يُترجم إلى أثر كهربائي قابل للقياس، وقد تمكن الباحثون بالفعل من قياسها والتحكم بها كهربائيًا

هذه النتيجة مهمة فعلًا لأنها توسّع دور الهندسة الكمومية من مجرد تفسير إلى أداة تصميم، فقياس هذا الأثر يسمح بتوصيف أدق لخصائص المواد الإلكترونية الدقيقة، وهو ما يقدم طريقة جديدة لفهم المواد الكمومية وتصميمها.

استغلال هذه الهندسة الجديدة قد يفتح طريقًا واسعًا نحو إلكترونيات أدق وأفضل، إضافة إلى أثر محتمل على فهم وتطوير الموصلية الفائقة، وتفاعلات الضوء مع المادة