الغرافين يكسر قانون فيدمان-فرانز: الإلكترونات تتدفق كسائل شبه احتكاكي

اكتشف علماء معهد العلوم الهندي أن إلكترونات الغرافين تتصرف كسائل عديم الاحتكاك تقريباً عند نقطة ديراك، مخالفةً بذلك قانون فيدمان-فرانز الفيزيائي الأساسي بأكثر من مئتَي ضعف.

تحرير
ألمعي · هيئة التحرير
النشر
١٦ أبريل ٢٠٢٦
المصدر
ScienceDaily
القراءات
٥
الوقت
قراءة دقيقتين
بنية الغرافين الذرية ثنائية الأبعاد

في اكتشاف قد يُعيد رسم خريطة الفيزياء التطبيقية، كشف باحثون في معهد العلوم الهندي (IISc) أن إلكترونات مادة الغرافين الفائقة تتصرف كسائل شبه احتكاكي في ظروف دقيقة، مخالفةً بذلك أحد أعرق قوانين الفيزياء، وهو قانون فيدمان-فرانز الذي يُحكم العلاقة بين الناقلية الكهربائية والناقلية الحرارية في المعادن.

ينصّ قانون فيدمان-فرانز على أن نسبة الناقلية الحرارية إلى الناقلية الكهربائية في المعادن تتناسب مع درجة الحرارة المطلقة عبر ثابت عالمي. لكن الفريق البحثي أعدّ عيّنات غرافين بالغة النقاء وراح يقيس الخاصيتين في آنٍ واحد، فوجد أن كليهما تحرّكا في اتجاهين متعاكسين تماماً؛ فبينما ارتفعت الناقلية الكهربائية، انخفضت الناقلية الحرارية. وبلغ هذا الانحراف عن القانون أكثر من مئتَي ضعف عند درجات الحرارة المنخفضة، وهو ما لم يُلاحَظ من قبل في أي مادة قابلة للتشغيل في المختبر.

يحدث هذا الأمر عند ما يُعرف بـ"نقطة ديراك"، وهي حالة دقيقة يقع فيها الغرافين على الحدود الفاصلة بين كونه معدناً وعازلاً. عند هذه النقطة تتوقف الإلكترونات عن السلوك كجسيمات مستقلة وتبدأ في التدفق معاً كسائل بالغ الانسيابية، في ظاهرة يُطلق عليها الباحثون اسم "سائل ديراك". وتُذكّر هذه الحالة الغريبة ببلازما الكواركات والغلوونات التي تُولَّد في مصادم الجسيمات الضخمة كمسرّع CERN في جنيف.

وعلى الرغم من الانحراف الكبير بين حركة الشحنة والحرارة، وجد الباحثون أن كلا الخاصيتين تمتثلان لثابت عالمي مرتبط بالتوصيل الكمي، بصرف النظر عن طبيعة المادة ذاتها. ويُشير هذا إلى وجود قانون أعمق يتحكم في هذه الأنظمة الكمية.

تمتد أهمية هذا الاكتشاف إلى ما هو أبعد من الفيزياء النظرية. فالغرافين، الذي يُعدّ مادةً مألوفة نسبياً ويمكن تصنيعها في المختبر، بات يوفّر منصةً يسيرة المنال لاستكشاف ظواهر كانت في السابق حكراً على بيئات قصوى كالثقوب السوداء وأنظمة الطاقة الفائقة. كما يفتح الاكتشاف الباب أمام تطوير أجهزة استشعار كمية بالغة الحساسية قادرة على رصد إشارات كهربائية ضعيفة للغاية وكشف حقول مغناطيسية دقيقة، مما قد يُفيد تطبيقات طبية كالتصوير بالرنين المغناطيسي المتطور.

نُشرت نتائج الدراسة في مجلة Nature Physics، وكان الفريق قد ضمّ باحثين من المعهد الوطني لعلوم المواد في اليابان بالتعاون مع المعهد الهندي. ويُؤكد هذا البحث أن الغرافين لم يُكشف عن كامل أسراره بعد، وأن ما بدا لعقود طويلة مادةً فيزيائية مُعرَّفة بدقة قد يخبئ في طياته أفقاً جديداً من الفيزياء الكمية.

المصدر الأصلي
ScienceDaily
قراءة المقال الأصلي ↗
قصة اليوم · كل صباح

أعجبك التقرير؟ استلم واحداً كل صباح.

قصةٌ تقنية واحدة تستحقّ وقتك، بالعربية. بلا إعلانات، بلا إزعاج.

بلا إعلانات · إلغاء الاشتراك بنقرة واحدة · بياناتك آمنة

اقرأ أيضًا

المزيد من الهندسة الإلكترونية

تصور فني لقمر كيوبسات مُصمَّم للكشف عن الأسلحة النووية في المدار — معهد MIT

باحثو MIT يقترحون أقماراً اصطناعية صغيرة لكشف الأسلحة النووية المدارية

نشر باحثو معهد ماساتشوستس في مجلة Nature Astronomy خطةً لنشر أقمار كيوبسات مزودة بكواشف نيوترونية قادرة على رصد الرؤوس الحربية النووية في المدار الأرضي.

SpaceNews
رسم فني لنظام نجمي ثنائي يجمع قزماً أبيض وقزماً أحمر — جامعة وارويك

علماء الفلك يكتشفون أربعة أقزام بيضاء مختبئة على مقربة من مجموعتنا الشمسية

كشف فريق بحثي دولي باستخدام مرقاب هابل عن أربعة أقزام بيضاء مخفية خلف أقزام حمراء في نظم نجمية ثنائية ضمن نطاق 65 سنة ضوئية من الشمس، أحدها على بُعد 25 سنة ضوئية فحسب.

ScienceDaily
الذكاء الاصطناعي مقابل الذكاء البشري

باحث يطعن في فرضية تورينج الكبرى: هل ضلّ الذكاء الاصطناعي طريقه منذ 75 عاماً؟

عالم الحاسوب بيتر دينينج يجادل بأن افتراضَي تورينج الأساسيين المتعلقَين بالذكاء المجرّد ومحاكاة اللغة قد وجّها البحث التقني في الاتجاه الخاطئ، وأن المعرفة الضمنية البشرية لا يمكن رقمنتها مهما اتسعت النماذج.

ScienceDaily
مسبار بيرسيفيرانس على سطح المريخ

بيرسيفيرانس يُتمّ ماراثوناً على المريخ في نصف الزمن الذي استغرقه أوبورتيونيتي

مركبة ناسا بيرسيفيرانس تُكمل 42 كيلومتراً على سطح المريخ في خمس سنوات وأربعة أشهر فحسب، متفوقةً على سجل أوبورتيونيتي الذي استغرق أكثر من 11 عاماً لتحقيق الإنجاز ذاته.

ScienceDaily
بكتيريا الأمعاء وسرطان القولون

علماء يكتشفون البوابة التي يستخدمها سُمّ بكتيري لإطلاق سرطان القولون

باحثون من جونز هوبكنز يكشفون أن سُمّ بكتيريا الأمعاء الشائعة يرتبط ببروتين كلودين-4 كبوابة دخول لتدمير حاجز القولون، مع نجاح أوّلي لـ'خداع جزيئي' في حماية الفئران.

ScienceDaily
خلايا عصبية ومرض الزهايمر

هيكل خلوي خفي في الخلايا العصبية قد يُبطئ مسار مرض الزهايمر

علماء من جامعة بنسيلفانيا يكتشفون أن انهيار هيكل شبكي دقيق يُبطّن الخلايا العصبية يُفضي إلى تراكم بروتينات الزهايمر، مما يفتح أفقاً علاجياً جديداً قائماً على تثبيت هذا الهيكل.

ScienceDaily