مادة فائقة الصلابة

في فيزياء المادة المكثفة ، تُعرف المادة فائقة الصلابة بأنها مادة مرتبة مكانيًا (أي صلبة ) ذات خصائص فائقة الميوعة . وفي حالة الهيليوم-4 ، فقد تم التكهن منذ ستينيات القرن الماضي بإمكانية إنتاج مادة فائقة الصلابة. ^{[ 1 ]}

ابتداءً من عام 2017، تم تقديم دليل قاطع على وجود هذه الحالة من خلال العديد من التجارب باستخدام مكثفات بوز-أينشتاين الذرية . ^{[ 2 ]} وتُعد الشروط العامة اللازمة لظهور حالة الصلابة الفائقة في مادة معينة موضوعًا لبحث مستمر.

المادة فائقة الصلابة هي حالة كمومية خاصة للمادة، حيث تشكل الجسيمات بنية صلبة ومنظمة مكانيًا، ولكنها تتدفق أيضًا بدون لزوجة . وهذا يتناقض مع الحدس القائل بأن التدفق، وخاصة تدفق المائع الفائق بدون لزوجة، هو خاصية حصرية لحالة المائع ، مثل سوائل الإلكترونات والنيوترونات فائقة التوصيل ، والغازات ذات مكثفات بوز-أينشتاين ^{[ 2 ]} ، أو السوائل غير التقليدية مثل الهيليوم-4 أو الهيليوم-3 عند درجة حرارة منخفضة بما فيه الكفاية.

ولأكثر من 50 عاماً، كان من غير الواضح ما إذا كان من الممكن وجود حالة المادة فائقة الصلابة. ^{[ 3 ]}

الزجاج الفائق هو حالة افتراضية مشابهة للمادة ، تتميز بسيولة فائقة وبنية غير متبلورة متجمدة في آن واحد. وقد طرح أنتوني جيمس ليجيت هذه الفكرة عام 1970. ^{[ 4 ]} وفي عام 2009، طُرحت نظرية مفادها أن الهيليوم-4 المتجمد (عند 0.2 كلفن و50 ضغط جوي) قد يكون زجاجًا فائقًا. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

في ثمانينيات القرن العشرين، اكتُشفت أول ظاهرة شاذة في مادة صلبة باستخدام الموجات فوق الصوتية . ^{[ 8 ]} وفي عام 2004، كشفت أبحاث لاحقة عن سلوك المادة فائقة الصلابة. وعلى وجه التحديد، لُوحظ عزم قصور ذاتي دوراني غير كلاسيكي لمذبذب التوائي. لم تستطع النماذج الكلاسيكية تفسير هذه الملاحظة، لكنها كانت متوافقة مع سلوك يشبه سلوك المائع الفائق لنسبة صغيرة من ذرات الهيليوم الموجودة داخل المذبذب. ^{[ 9 ] [ 4 ]}

أدت هذه الملاحظة إلى إجراء عدد كبير من الدراسات اللاحقة للكشف عن دور عيوب البلورات أو شوائب الهيليوم-3. وقد أثارت تجارب إضافية بعض الشكوك حول وجود حالة صلبة فائقة حقيقية في الهيليوم. والأهم من ذلك، فقد تبين أن الظواهر المرصودة يمكن تفسيرها إلى حد كبير بتغيرات في الخصائص المرنة للهيليوم. ^{[ 10 ]} في عام 2012، أُعيدت التجارب التي رصدت سلوكًا شبيهًا بالحالة الصلبة الفائقة في عام 2004 لاستبعاد أي تأثيرات محتملة. ولم يُرصد أي سلوك للحالة الصلبة الفائقة في التجارب المُعادَة. ^{[ 11 ]}

في عام ٢٠١٧، تم ابتكار خصائص المواد فائقة الصلابة في الغازات الكمومية فائقة البرودة باستخدام طرق مختلفة. إحدى هذه الطرق هي وضع مكثف بوز-أينشتاين داخل رنانين بصريين، مما عزز التفاعلات الذرية حتى بدأت بالتبلور تلقائيًا وتشكيل مادة صلبة تحافظ على خاصية الميوعة الفائقة المتأصلة في مكثفات بوز-أينشتاين. يُحقق هذا الإعداد شكلاً خاصًا من المواد فائقة الصلابة، يُسمى المادة فائقة الصلابة الشبكية، حيث تُثبّت الذرات في مواقع بنية شبكية مفروضة خارجيًا. ^{[ ١٢ ] [ ١٣ ]}

أما الطريقة الأخرى، فقد عرّضت مكثف بوز-أينشتاين في بئر جهد مزدوج لحزم ضوئية، مما أدى إلى توليد اقتران فعال بين الدوران والمدار . وقد نتج عن التداخل بين الذرات في موقعي الشبكة المقترنين بالدوران والمدار تعديل مميز في الكثافة. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

في عام ٢٠١٩، رصدت ثلاث مجموعات بحثية، بشكل مستقل، خصائص المادة فائقة الصلابة في مكثفات بوز-أينشتاين ثنائية القطب المتكونة من ذرات اللانثانيدات . ^{[ ١٦ ]} في هذه الأنظمة، تنشأ خاصية المادة فائقة الصلابة مباشرةً من التفاعلات الذرية، دون الحاجة إلى شبكة بصرية خارجية. وقد أتاح ذلك أيضًا الرصد المباشر لتدفق الميوعة الفائقة، وبالتالي تقديم دليل قاطع على وجود حالة المادة فائقة الصلابة. ^{[ ١٧ ] [ ١٨ ]}

في عام 2021، استُخدمت الديناميكا الكهربائية الكمومية في تجويف متحد البؤر مع مكثف بوز-أينشتاين لإنشاء مادة فائقة الصلابة تمتلك خاصية أساسية للمواد الصلبة، وهي الاهتزاز. أي، تم إنشاء مادة فائقة الصلابة تمتلك فونونات شبكية ذات تشتت نمط غولدستون، وتُظهر سرعة صوت تبلغ 16 سم/ث (6.3 بوصة/ث) . ^{[ 19 ]}  

في عام 2021، استُخدم الديسبروزيوم لإنشاء غاز كمومي فائق الصلابة ثنائي الأبعاد. وفي عام 2022، أنشأ الفريق نفسه قرصًا فائق الصلابة في مصيدة دائرية، وفي عام 2024 أبلغوا عن رصد دوامات كمومية في الطور فائق الصلابة. ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]}

في عام 2026، تمكن فريق بحثي من ابتكار مادة فائقة الصلابة في درجة حرارة الغرفة باستخدام بلورات البيروفسكايت وشبكة نانوية من الإكسيتون-بولاريتون. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

في معظم نظريات هذه الحالة، يُفترض أن الفراغات - وهي مواقع فارغة تشغلها عادةً جسيمات في بلورة مثالية - تؤدي إلى حالة الصلابة الفائقة ^{[ 26 ]} . تنشأ هذه الفراغات بفعل طاقة النقطة الصفرية ، التي تتسبب أيضًا في انتقالها من موقع إلى آخر على شكل موجات . ولأن الفراغات عبارة عن بوزونات ، فإذا أمكن وجود مثل هذه السحب من الفراغات عند درجات حرارة منخفضة جدًا، فقد يحدث تكثف بوز-أينشتاين للفراغات عند درجات حرارة أقل من بضعة أعشار من الكلفن. يُعادل التدفق المتماسك للفراغات "تدفقًا فائقًا" (تدفقًا عديم الاحتكاك) للجسيمات في الاتجاه المعاكس. وعلى الرغم من وجود غاز الفراغات، فإن البنية المنتظمة للبلورة تبقى محفوظة، وإن كان ذلك بوجود أقل من جسيم واحد في كل موقع شبكي في المتوسط. وبدلاً من ذلك، يمكن أن تنشأ حالة الصلابة الفائقة أيضًا من حالة الميوعة الفائقة. في هذه الحالة، والتي تتحقق في التجارب التي أجريت على مكثفات بوز-أينشتاين الذرية، يكون الهيكل المرتب مكانيًا بمثابة تعديل فوق توزيع كثافة المائع الفائق.

• غشاء فائق الميوعة
• شبه صلب