اكتشف علماء الفيزياء حالة جديدة للمادة يعمل ترتيبها البنيوي بموجب قواعد تتسق مع ميكانيكا الكم أكثر من اتباعها للنظرية الديناميكية الحرارية التقليدية.
ففي مادةٍ كلاسيكية تُسمَّى "الثلج الدوار الاصطناعي" – وهي مادة تبدو في بعض أطوارها غير منتظمة -، بدت بنية المادة في واقع الأمر منتظمة، لكن بصورة "طبوغرافية"، بحسب موقع Science Daily العلمي.
عالم الفيزياء في المعمل الوطني بلوس آلاموس وقائد الفريق النظري للدراسة كريستيانو نيزولي قال، "يُظهر بحثنا للمرة الأولى أنَّ الأنظمة الكلاسيكية مثل الثلج الدوار الاصطناعي يمكن أن تُصمَّم لتُظهر أطواراً منتظمة طبوغرافية، لم تكن توجد فيما سبق إلا في الحالات الكمية".
وأضاف، "عادةً ما يصنف علماء الفيزياء المادة كمنتظمة كما هو الحال في البلورات، أو غير منتظمة مثل الغازات، ويفعلون ذلك على أساس التماثل في هذا الانتظام"
أما العالم شيفر فيقول، "إثبات أنَّ تلك الآثار الطبوغرافية يمكن أن توجد في منظومة الثلج الدوار الاصطناعي يفتح الباب أمام مجموعة كبيرة من الدراسات الجديدة الممكنة".
المادة تحتفظ بمستويات محيرة من الطاقة
درس الفريق في البحث الجديد تصميماً محدداً للثلج الدوار الاصطناعي يُسمَّى ثلج شاكتي الدوار. وبينما صُمِّمَت هذه المواد من الناحية النظرية، فقد انتقل هذه المرة اكتشاف خصائصها الغريبة الخارجة عن حالة التوازن من طور التجارب إلى الطور النظري.
وبعد أن أجرى توصيفاً مجهرياً بالإصدار الضوئي للإلكترونات في معامل مصادر الضوء المتطورة التابعة لوزارة الطاقة الأميركية، كشف فريق شيفر شيئاً محيراً؛ فبخلاف سائر أنواع الثلج الدوار الاصطناعي التي يمكن أن تصل إلى مستويات الطاقة المنخفضة لديها مع خفض درجات الحرارة بشكلٍ متتابع، فإنَّ ثلج شاكتي حافظ بإصرار على نفس مستوى الطاقة.
وعن هذا يقول شيفر، "علق النظام لدرجة عجز معها عن إعادة ترتيب نفسه، حتى وإن كانت إعادة الترتيب على نطاقٍ واسع يمكنها أن تسمح بهبوطه إلى حالة طاقة أقل".
من الواضح أنَّ المادة كانت تحتفظ بشيءٍ ما، ولكنَّ كنهه لم يتضح في مادةٍ مُصمَّمة صناعياً لتوفير صورة دوارة غير منتظمة.
محاولة رؤية الصورة الكاملة
بالابتعاد عن الصورة الدوارة والتركيز على الوصف الجديد لاستثارات النظام، يصف نيزولي حالة انخفاض طاقة يمكن تصويرها بشكلٍ دقيق في صورة نموذج نظري يُحتفى به، وهو "نموذج الغطاء ثنائي الوحدات"، الذي اكتُشِفَت خصائصه الطبوغرافية من قبل.
حينها أكدت البيانات الناتجة عن التجربة احتفاظ المادة بالشحنة الطبوغرافية، وبالتالي طول العمر الافتراضي للاستثارات.
وقال نيزولي، "أجد الأمر مثيراً للاهتمام، لأنَّه في المعتاد تتحرك الأطر النظرية من الفيزياء الكلاسيكية إلى الفيزياء الكمية؛ ولكن هذا لا يحدث مع النُظُم الطبوغرافية".
أجرى فريق شيفر التجارب الفيزيائية في جامعة إلينوي بمدينة أوربانا في مقاطعة شامبين بتمويلٍ من وزارة الطاقة الأميركية. ودُرِسَت حركة المادة في المكان والزمان الفعليين في معامل مصادر الطاقة المتطورة.
