تظهر الإلكترونات الموجودة في قطعة ملتوية من الجرافين نمطًا متكررًا غريبًا تم التنبؤ به لأول مرة في عام 1976، ولكن لم يتم قياسه بشكل مباشر حتى الآن
.jpg)
حساب نظري لمستويات طاقة الإلكترونات في طبقات الجرافين الملتوية في مجال مغناطيسي، يُظهر نمط "الفراشة" الكسري الذي تنبأ به دوغلاس هوفستاتر
شوهد نمط فراشة كسوري، ناتج عن تكوين غير عادي للمجالات المغناطيسية، والذي تم التنبؤ به لأول مرة منذ ما يقرب من 50 عامًا، بالتفصيل لأول مرة في قطعة غرافين ملتوية.
في عام 1976، عندما كان طالبًا في الفيزياء، توقع عالم الحاسوب دوغلاس هوفستاتر أنه عند وضع بلورات ثنائية الأبعاد في مجالات مغناطيسية، فإن مستويات طاقة إلكتروناتها ستُنتج نمطًا غريبًا يبدو متشابهًا مهما كبرت الصورة، يُعرف باسم الفركتل. في ذلك الوقت، حسب هوفستاتر أن ذرات البلورة يجب أن تكون قريبة جدًا من بعضها البعض لإنتاج مثل هذا النمط.
في عام 2013، لاحظ الباحثون لأول مرة تلميحات تجريبية لهذا النمط، الذي عُرف لاحقًا باسم "فراشة هوفستاتر"، في صفيحة مسطحة من نيتريد البورون، وهي مادة شبيهة بالجرافين. ركزت قياساتهم على المقاومة الكلية للمادة، والتي قد تُعطي تلميحات عن حركة الإلكترونات، لكنهم لم يعرفوا بعد الطاقات الدقيقة للإلكترونات.
والآن، قام علي يزداني من جامعة برينستون وزملاؤه بقياس "فراشة هوفستاتر" بالتفصيل لأول مرة، باستخدام طبقتين ملتويتين من الجرافين.
عندما تُدار طبقة من الجرافين فوق أخرى بزاوية معينة، تُسمى الزاوية السحرية، فإنها تُنتج أنماطًا هيكلية متكررة فريدة ومجالات مغناطيسية يمكن أن تؤدي إلى خصائص غير متوقعة، مثل الموصلية الفائقة. تُشبه هذه الظروف تلك الواردة في تنبؤ هوفستاتر الأصلي، لكن المجالات المغناطيسية القوية تُشوه إلكترونات الجرافين، مما يجعل قياسها بالتفصيل باستخدام المجهر الإلكتروني أمرًا مستحيلًا.
كان يزداني وزملاؤه يجرون تجارب على زاوية سحرية ثانية، تُؤدي إلى أنماط متكررة أوسع، عندما أدركوا أنها ستُنتج مجالات مغناطيسية أضعف، وتترك للإلكترونات حرية القياس، مما يسمح للفريق بأخذ قراءات مُفصلة لطاقاتها. يقول يزداني: "إن قدرتنا على الوصول إلى هذه المجالات المغناطيسية المنخفضة جدًا، وإجراء هذه التجربة، كانت نقطة تحول رائعة لم يتوقعها أحد من قبل".
يقول يوهانس ليشنر من إمبريال كوليدج لندن: "إنها قصة رائعة تُظهر قدرتنا التنبؤية". "نحن نفهم القوانين الأساسية للإلكترونات جيدًا، لدرجة أننا نستطيع التنبؤ، وحتى لو استغرق الأمر 50 عامًا للتحقق منه، فإنه في النهاية يأتي كما تم التنبؤ به".
يقول هوفستاتر: "لقد سررتُ كثيرًا بالنتائج الأساسية للبحث". تركتُ الفيزياء منذ حوالي خمسين عامًا، ولذلك لا أستطيع إصدار أحكام مهنية عليها. وغني عن القول إنني أشعر دائمًا بالرضا عندما أجد تأكيدات تجريبية للبنية التي توقعتها عام 1976.
المصدر: