الحالة الغريبة “عابرة الأبعاد” للمادة ليست ثنائية الأبعاد ولا ثلاثية الأبعاد

تتصرف الحالة الكمومية الجديدة للمادة كما لو أنها لا تنتمي بالكامل إلى عالم ذي بعدين أو ثلاثة أبعاد من الفضاء، مما يكشف عن طريقة غير ملحوظة سابقًا لتحرك الإلكترونات.

يصنف الفيزيائيون حالات المادة بناءً على كيفية تحرك الإلكترونات داخل المادة. وتعتمد هذه الحركة على عوامل كثيرة، مثل ترتيب ذرات المادة.

عندما يتم غمر مادة رقيقة في مجال مغناطيسي، فإن إلكتروناتها ترسم دوائر صغيرة، وأي تيار منها يندفع إلى جانب المادة. وهذا ما يُعرف بتأثير هول. بالنسبة للمواد المغناطيسية، تصبح تصميمات الإلكترونات أكثر تعقيدًا، مما يؤدي إلى ظهور إصدارات مختلفة من هذا التأثير.

اكتشف لي وانج – من جامعة نانجينغ في الصين – وزملاؤه بشكل غير متوقع نسخة جديدة من هذه الظاهرة، والتي أطلقوا عليها اسم تأثير هول الشاذ عبر الأبعاد (TDAHE).

كان الفريق يدرس الإلكترونات في مادة رقيقة مصنوعة من ذرات الكربون مرتبة في نمط من المعينات على أمل رؤيتها تشكل تيارات فعالة تمامًا. لكن عندما غمروا المادة في مجال مغناطيسي، تفاعلت الإلكترونات بشكل غريب.

يقول وانغ: “جاء TDAHE بمثابة مفاجأة كاملة، وهي ظاهرة لم يسبق لها مثيل في أي مادة أخرى من قبل، ولا تتنبأ أي نظرية بذلك”. “بعد أن قمنا بقياس البيانات الأولية، أمضينا حوالي عام واحد [trying] لفهم ذلك.”

على وجه التحديد، ما حيّر الباحثين هو أن مادتهم أظهرت نوعًا من تأثير هول عندما طبقوا مجالين مغناطيسيين مختلفين ومتعامدين بشكل متبادل. وهذا يعني أن الإلكترونات يمكنها تنفيذ حركات حلقية أفقيًا وعموديًا، على الرغم من أنه كان من المفترض أن تكون المادة رقيقة جدًا بحيث لا يمكنها استيعاب كليهما.

يقول وانج إنه وزملاؤه اعتقدوا في البداية أن بعض الأخطاء التجريبية هي السبب، لكن العديد من تجارب المتابعة ظلت تؤكد صحة قياساتهم. وأظهر صنع واختبار المزيد من عينات المواد نفس الشيء. وكان عليهم أن يستنتجوا أنه بالنسبة لقطع من مادة الكربون التي يتراوح سمكها بين 2 و5 نانومتر، فإن الإلكترونات تقوم ببساطة بشيء جديد.

ولأن هذه السُمك لا تجعل المادة ثنائية أو ثلاثية الأبعاد بالكامل، فقد أطلق الفريق على الحالة الإلكترونية الجديدة اسمًا وفقًا لذلك. يقول وانغ: إنها لا تربط بطريقة أو بأخرى بين العوالم ثنائية وثلاثية الأبعاد. يقول: “إنها أيضًا ليست قليلًا من ثنائي الأبعاد وقليلًا آخر من ثلاثي الأبعاد. باستخدام مصطلح “عابر الأبعاد”، نريد التعبير عن وجود نظام جديد، لا ينتمي إلى الحالات ثنائية أو ثلاثية الأبعاد التي تمت دراستها جيدًا سابقًا”.

تقول أندريا يونج من جامعة كاليفورنيا، سانتا باربرا، إن ما يميز الحالة الجديدة عن غيرها هو أن التمثيل الرياضي لحالات الإلكترونات يفتقر إلى التماثل بثلاث طرق مختلفة، وهو أمر جديد مقارنة بالحالات المماثلة. ومن وجهة نظره، فإن هذه سمة محددة أكثر من أبعاد المادة – حيث أن سُمكها هو مجرد وسيلة لتحقيق غاية، كما يقول.

يقول يونج إن الحالة الجديدة يمكن اعتبارها نوعًا من “ربع المعدن”، أو المعدن الذي يحد فيه عدم التماثل مما يمكن أن تفعله الإلكترونات مقارنة بالمعادن التقليدية.

يريد فريق وانغ الآن البحث عما يسمونه فيزياء التحول الأبعاد في مواد أخرى واستخدام المزيد من الأدوات، مثل أجهزة استشعار المجال المغناطيسي القائمة على الماس، لمعرفة المزيد عن الحالة الجديدة.