اكتشاف كمومي نادر: ذرات تعكس دورانها داخل بلورات باستخدام ليزر تيراهرتز

المنطق الرياضي يقول: اجمع شيئاً مع نظيره تحصل على ضعفه. لكن في عالم المواد الكمومية، قد يكون الجواب سالباً. هذه الفكرة المثيرة للدهشة باتت حقيقة تجريبية موثّقة بعد أن نجح فريق دولي بقيادة معهد هيلمهولتز-درسدن-روزندورف الألماني في رصد ظاهرة غير مسبوقة داخل بلورات سيلينيد البزموت: الذرات تعكس دورانها فجأة حين ينتقل الزخم الزاوي بين أنماط اهتزاز مختلفة داخل الشبكة البلورية. الدراسة نُشرت في مجلة Nature Physics في مايو 2026.

اعتمد الباحثون على حزم ليزر تيراهرتز شديدة الكثافة سلّطوها على عينات بلورية من سيلينيد البزموت، وهي مادة كمومية توبولوجية تحظى باهتمام واسع في أبحاث الفيزياء التطبيقية. وبأجهزة قياس فائقة الدقة قادرة على التقاط ديناميكيات في نطاق الفيمتو ثانية، رصد الفريق ما لم يكن في الحسبان: الزخم الزاوي لأنماط اهتزاز الشبكة البلورية ينعكس اتجاهه حين ينتقل من نمط إلى آخر، مُنتجاً محصلة سالبة بدلاً من المتوقع.

أطلق الباحثون على هذه الظاهرة تسمية "1+1=‎-1"، وهي استعارة رياضية تُعبّر عن حقيقة أن جمع نمطين دوارين في الاتجاه ذاته يُفضي إلى نتيجة تدور في الاتجاه المعاكس تماماً. ويُشبّهون هذا بعملية أومكلاب المعروفة في فيزياء الحالة الصلبة، حين تتجاوز الحزم الزخمية حدود منطقة بريلوان فتنعكس، غير أن تطبيقها على الزخم الزاوي داخل الشبكة البلورية يُمثّل اكتشافاً من نوع آخر لم يكن متوقعاً نظرياً.

قال سيباستيان ميرلين، الباحث الرئيسي في الدراسة: "لقد اكتشفنا شيئاً أساسياً جديداً آمل أن يجد طريقه إلى الكتب الدراسية". وهو توصيف نادر في لغة البحث العلمي المتحفظة، يُشير إلى عمق الدلالة النظرية لهذا الاكتشاف وقدرته على تغيير فهمنا لكيفية انتقال الزخم الزاوي في المواد المتكاثفة.

ما يجعل هذه الظاهرة أبعد من مجرد فضول أكاديمي هو ارتباطها بمجال المغنطة بالضوء، الذي يسعى إلى التحكم في الخصائص المغناطيسية للمواد باستخدام الليزر بدلاً من المغانط التقليدية. وإذا أمكن فهم هذه الانعكاسات الزخمية والتحكم فيها بدقة، فقد تُفتح أبواب لتقنيات تخزين بيانات أسرع وأكثر كفاءة، أو لمعالجة معلومات تعتمد على الزخم الزاوي للإلكترون بدلاً من شحنته الكهربائية، في مجال يُعرف بالسبينترونية.

المواد الكمومية عموماً وسيلينيد البزموت خصوصاً تستمر في إدهاش الفيزيائيين بمفاجآت تُربك الحدس الكلاسيكي. وفي كل مرة يُصوّب فيها الباحثون حزمة ليزر دقيقة نحو هذه البلورات، يُحتمل أن يعودوا بشيء لا تُفسّره المعادلات المعتادة. هذه المرة، عادوا بقانون جمع يعصى على البديهة لكنه يتحقق في قلب المادة الصلبة.