أعلنت جماعة من علماء جامعة شيكاغو عن أول دليل على “كيمياء الكم الفائقة” – نعني بذلك تفاعلات بين الجزيئات التي لها نفس خصائص الكم مع بعضها تفاعلات متزامنة ومتسارعة – وهذا قد أخبر بحدوثه العلماء ولكن لم يره في المختبرات أحد قط.

فتحت نتائج البحث المنشورة في يوليو الماضي بمجلة Nature Physics أبواب مجال جديد، حيث اهتم العلماء بالتفاعلات الكيميائية الكمومية التي تستعمل في كيمياء الكم والحساب الكمومية وتستخدم في تقنيات أخرى، وتفيد في فهم قوانين الكون.

قال تشينغ تشين، أستاذ فيزياء وعضو في معهدي جيمس فرانك وإنريكو فيرمي الذي أجري البحث في مختبره: “رأينا ما يوافق ما بحثناه نظريًا. هذا ما كنا نطلبه منذ 20 عامًا، إنها حقبة مشوقة للغاية”.

تكاثف بوز

يعمل مختبر تشين على تبريد الجزيئات حتى درجة قريبة من الصفر المطلق، ترتبط الجزيئات حتى يكون لها نفس الحالة الكمومية، فيكون لها سلوك وقدرات غير عادية.

قيل إن المجموعة من الذرات الجزيئات التي لها نفس الحالة الكمومية تتفاعل كيميائيًا بطريقة مختلفة، ولكن لم يعاينها أحد قط لصعوبة إقامة التجربة. جماعة تشين خبراء في تحويل الذرات إلى الحالة الكمومية، أما الجزيئات فكبيرة ومعقدة أكثر من الذرات، لذلك كان عليهم اختراع طريقة جديدة.

قام العلماء في تجاربهم بتبريد ذرات عنصر السيزيوم حتى صار لهم نفس الحالة الكمومية، ثم انتظروا الذرات تتفاعل لتكون جزيئات. في الكيمياء العادية، تصطدم الذرات ذرة ذرة، وقد تكون كل ذرة جزيئًا في تصادمها. وأما المتوقع في ميكانيكا الكم أن الذرات التي لها نفس الحالة الكمومية تتفاعل مع بعضها جماعيًا لا فرديًا.

 يقول تشين: “لم تعد التفاعلات الكيميائية تصادم جزيئات متفرقة، بل مجموعة واحدة، يتفاعلون معًا كشيء واحد”.

ينتج عن ذلك أن التفاعلات تحدث بسرعة أكبر من الحالة العادية، وكلما زادت الذرات في المجموعة صار التفاعل أسرع، فضلاً أن الجزيئات الناتجة لها نفس الحالة الجزيئية.

أوضح تشين أن الجزيئات نفسها قد يكون لها خصائص كيميائية وفيزيائية مختلفة إن اختلفت حالاتها. لكنك قد ترغب أحيانًا في تكوين مجموعة جزيئات لها حالة محددة. في الكيمياء العادية ستعتمد على الصدفة، أما مع هذه التقنية تقود الجزيئات لحالة واحدة.

يذكر طالب الدراسات العليا (شو ناغاتا) وهو أحد المشاركين في هذا البحث أنهم شاهدوا البرهان على أن هذا التفاعل يحدث في ما بين 3 أجسام أكثر من حدوثه بين جسمين، أي إذا تصادمت 3 ذرات ستشكل ذرتين منهم جزيئًا، وتبقى الثالثة وحدها، ولكنها ساعدت في التفاعل.

الاحتمالات في التكنولوجيا

يأمل العلماء أن يكون هذا العلم بداية لمرحلة جديدة، ومع أن التجربة هذه أجريت باستخدام جزيئات بسيطة من ذرتين، يخطط العلماء شيئًا فشيئًا لاستخدام جزيئات كبيرة ومعقدة أكثر.

قال تشين: “أحد أهم المباحث عند العلماء هو ما مدى قدرتنا على استخدام علمنا ومعرفتنا بهندسة الكم لتكوين جزيئات أكثر تعقيدًا”.

منهم من يرى احتمالية استخدام الجزيئات على سبيل المثال لتصير وحدات كيوبتات (qubits) في أجهزة الحاسب الكمومية، وفي معالجة المعلومات الكمومية. ويبحثها علماء آخرون لعلهم يهتدون إلى فهم أدق للقوانين والتفاعلات الأساسية ومنها قوانين الكون الأساسية، كقانون كسر التناظر.

المصدر: https://phys.org

ترجمة: ولاء الجشي

مراجعة وتدقيق: زينب محمد