وأخيرًا نراه: اكتشاف تاريخي للشكل الحقيقي للإلكترون لأول مرة!

هل فكرت يومًا في شكل الإلكترون؟ ربما درس معظمنا في المدارس أن الإلكترونات جسيمات دون ذرية صغيرة جدًا تدور حول النواة، لكن في الواقع، الأمر ليس بهذه البساطة. هناك الآن اكتشاف مثير توصل إليه العلماء قد يغيّر كليًا من نظرتنا لطريقة تمثيل الالكترونات وفهم سلوكها.

في إنجاز غير مسبوق بتاريخ فيزياء الكم، تمكن فريق بحثي دولي، بقيادة الباحث ريكاردو كومين الأستاذ المشارك في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)، من تصوير شكل الإلكترون المتحرك داخل مادة صلبة لأول مرة على الإطلاق. هذه الحقيقة تمثل خطوة جبارة إلى الأمام، وربما تعيد كتابة عدد من المفاهيم الأساسية في كتب الفيزياء.

بدأت هذه القفزة العلمية الجريئة من خلال تعاون دولي واسع، شاركت فيه عدة جامعات معروفة، وكان الباحث مينغو كانغ من أبرز المشاركين في هذه الدراسة، حيث قام بمعظم تجاربه الأولى في MIT قبل مواصلة العمل في جامعة كورنيل.

المثير للاهتمام أن وباء كورونا الذي أجبر الجميع على الانعزال في البيوت، لعب دورًا حاسمًا لكنه ربما مفاجئ في تحقيق هذا التقدم العلمي المهم، إذ ساعد انتشار وسائل التواصل والاجتماعات عبر الإنترنت في تعزيز التعاون عن بعد بين علماء مختلف التخصصات في حول العالم.

يعتمد هذا الاكتشاف التاريخي على تقنية تُعرف بـ "التحليل الطيفي للانبعاثات الكهروضوئية بزاوية الحل" (ARPES). لكن دعنا نبسط الأمر قليلًا، كيف تعمل هذه التقنية؟

ببساطة، عندما تسلط حزمة من الضوء فوق البنفسجي على المادة التي تحاول دراستها، تقوم هذه المادة بإطلاق إلكترونات للخارج. يحلل العلماء سرعة الإلكترونات المنبعثة، والزاوية التي تخرج منها، وحتى خاصية الدوران المغناطيسي لهذه الإلكترونات. عن طريق هذه البيانات، يمكن للباحثين استعادة شكل وهندسة الالكترون في المادة، بشكل أدق بكثير مما يتوفر في الطرق التقليدية.

هنا أيضًا يأتي ذكر مصطلح جديد ربما لم تسمعه من قبل: "الهندسة الكمية". هذه الطريقة لفهم أشكال الإلكترونات تتجاوز الأشكال التي نراها يوميًا حولنا، فالإلكترونات في الحقيقة أشبه بموجات معقدة تنتشر عبر المكان والزمان. وبفضل الإطلاع على تفاصيل هذه الأشكال المعقدة، من المحتمل تطوير مواد جديدة ذات خصائص إلكترونية فريدة، تقودنا نحو اختراعات مذهلة قد تغير حياتنا، كمثل المواد فائقة التوصيل أو التقنيات المتطورة في الإلكترونيات الدقيقة.

ومن بين أفضل الأمثلة على هذه المواد التي في قلب البحث الحالي ما يُعرف بـ "معادن كاغومي". تتخذ هذه المعادن هيكلًا هندسيًا يشبه الشبكة المثلثة المتداخلة (شبيهة بتصميمات قص الورق الياباني التقليدي)، ولأن الإلكترونات تتفاعل بطرق خاصة جدًا مع هذه التكوينات الهندسية، فهي مواد واعدة جدًا لهذه التطبيقات المستقبلية.

يعلّق ريكاردو كومين بلمسة من الحماس بقوله:

وهو الأمر الذي قد يؤدي إلى عصر جديد في تطوير المواد والأجهزة الإلكترونية، الآن بعد أن شاهد العلماء شكل الإلكترون فعليًا بالطريقة التي يتحرك بها في المادة، قد يتمكنون قريبًا من استخدام هذه المعرفة لرسم البنية الأساسية لأجهزة إلكترونية مبتكرة مستقبلاً—من أجهزة الكمبيوتر الكمومية فائقة السرعة وصولاً إلى تطبيقات صناعية توفر كميات كبيرة من الطاقة.

بالطبع، هذا البحث ليس نهاية الطريق بل بدايته. يعمل العلماء حاليًا على تطوير تقنيات دقيقة قادرة على اقتحام عوالم المواد الأخرى والكشف عن مزيد من أسرارها، ومن المؤكد أن الأيام المقبلة ستحمل الكثير من الأخبار المثيرة في هذا المجال.

في نهاية المطاف، يظهر لنا هذا الاكتشاف المذهل أن ما يبدو مستحيلاً اليوم قد يصبح أمرًا روتينيًا في الغد. وبينما ننتظر تطبيقات ملموسة لهذا الإنجاز العلمي، يبقى أمامنا سؤال واحد يطرح بإلحاح: ما الابتكارات الجديدة التي قد يظهرها لنا العلم بعد أن رآى شكل الإلكترون للمرة الأولى؟ الأيام وحدها كفيلة بإخبارنا.