ربّما لن تتفاجأ إذا علمت أن تدفق الماء والعسل يحكمهما القوانين الفيزيائية نفسها. ولكن قد يفاجئك أن تعرف أن القوانين الفيزيائية ذاتها تحكم تدفق الإلكترونات!
في هذه السلسلة، سنرى كيف أن الإلكترونات قد تتدفق بلزوجة أكثر من لزوجة العسل! 🍯✨
في هذه السلسلة، سنرى كيف أن الإلكترونات قد تتدفق بلزوجة أكثر من لزوجة العسل! 🍯✨
من خصائص الفيزياء أنها تُظهر التشابه بين الأشياء المختلفة في ظاهرها . العسل والماء هما من الموائع التي تتدفق وفقاً لميكانيكا نيوتن، بينما تتدفق الإلكترونات وَفْقاً لقوانين ميكانيكا الكم. فأين التشابه؟ 🤔
لنرى الشبه بين الإلكترونات والموائع دعونا نبدأ أولاً بالموائع. يتبع العسل والماء (والموائع Fluids بشكل عام) نظرية الهيدروديناميكا، والتي تقوم على معادلات نافييه-ستوكس الشهيرة Navier-Stokes Equations . وهذه المعادلات (فضلاً عن أنها ذات فائدة تطبيقة جمة) فهي مثيرة بحد ذاتها!
فمن الفوائد التطبيقية لهذه المعادلات استخدامها في دراسة النماذج المناخية، وفي تصميم السيارات والطائرات، ونقل البترول والغاز والمياه الجوفية… أما إثارتها: فواحدة من المسائل السبع لجائزة الألفية تتعلق بحل هذه المعادلات، وجائزة حل هذه المسألة هي مليون دولار!
claymath.org
claymath.org
معرفة العلاقة بين هذه المعادلات (التي تصف كائنات كلاسيكية) وبين الإلكترونات تكمن في معرفة الأُسس التى تبنى عليها هذه المعادلات، وهي تقوم على ثلاثة مبادئ أساسية: (1)حفظ الكتلة (2) حفظ الطاقة (3)حفظ كمية الحركة (الزخم)
في أغلب الظروف لا يحقق تدفق الإلكترونات داخل المواد الشروط الثلاثة السابقة؛ فالإلكترونات عندما تتدفق داخل المواد تحدث لها عدة أنواع من التشتت scattering بسبب التصادم مع الفونونات، والشوائب، وجدران أسلاك التوصيل.
يكون تشتت الإلكترونات غالباً بسبب الشوائب والفونونات، وفي هذه الحالة يكون التدفق تدفقَ أوم Ohm، وهذا هو التدفق العادي الذي يتبع قانون أوم للمقاومة. ولكن لكن لكن!
ولكن أحياناً تكون التصادمات الغالبة هي تصادمات الإلكترونات فيما بينها، عندها تتصرف الإلكترونات وكأنها مائع يتبع النظرية الهيدروديناميكية؛ وهذا يعود إلى أن تصادم الإلكترونات فيما بينها يحفظ الطاقة وكمية الحركة الكلية للنظام، وبالتالي نستطيع استخدام معادلات نافييه-ستوكس
وتهيئة الظروف لتصبح التصادمات بين الإلكترونات هي الغالبة يحتاج شروطاً معينة، مثل: نوع المادة، ودرجة الحرارة، وأبعاد العينة، ونظافتها من الشوائب... فإذا تحققت هذه الشروط تصرفت الإلكترونات بشكل جماعي كما تتصرف كالموائع، وبهذا نحصل على نسخة معادلات نافييه-ستوكس الخاصة بالإلكترونات
وإذا تبعت الإلكترونات معادلات نافييه-ستوكس، ثمّ ماذا؟
ستحدث الظواهر الجميلة التي نراها في الماء، مثل الدوامات وغيرها 😍🌀
ستحدث الظواهر الجميلة التي نراها في الماء، مثل الدوامات وغيرها 😍🌀
متى عرف الناس عن هذا التشابه؟
أول اقتراح نظري لهذا التشابه كان بوساطة العالم السوفييتي جورزي Radii Gurzhi عام 1968 م، ولكن التأكيد التجريبي لم يتم إلا عام 2016 م.
أول اقتراح نظري لهذا التشابه كان بوساطة العالم السوفييتي جورزي Radii Gurzhi عام 1968 م، ولكن التأكيد التجريبي لم يتم إلا عام 2016 م.
عام 2016 م أثبت العلماء تجريبياً التدفق الهيدروديناميكي للإلكترونات باستخدام تجارب مختلفة. إحداها استخدمت إلكترونات الجرافين لإثبات أن الإلكترونات تمر في دوامات عند إجبار التيار على الدخول من فتحة صغيرة.
وتحدث هذه الدوامات بسبب لزوجة سائل الإلكترونات؛ إذ أن انعدام اللزوجة يجعل أجزاء التيار لا تؤثر في بعضها بسبب انعدام قوة القص shear force
ومن الجدير بالذكر أن هذه الدراسة أظهرت أن لزوجة سائل الإلكترونات أكثر ب 200 مرة من لزوجة العسل!
science.sciencemag.org
ومن الجدير بالذكر أن هذه الدراسة أظهرت أن لزوجة سائل الإلكترونات أكثر ب 200 مرة من لزوجة العسل!
science.sciencemag.org
في التجربة السابقة أثُبتت الطبيعة الهيدروديناميكة بطريقة غير مباشرة. ولكن في عام 2019 م، تمكن الباحثون من تصوير تدفق الإلكترونات لتأكيد أن توزيع سرعة الإلكترونات هو بالضبط التوزيع نفسه لسرعة السائل عندما يمر في الأنابيب، حيث تزاد السرعة في الوسط وتقل كلما اتجهنا للأطراف.
المصدر: nature.com
وفي النهاية فإن مجال دراسة تدفق الإلكترونات اللزجة مازال في بداياته، وهو واعد في شأن الكثير من الظواهر المدهشة، ومنها ظاهرة الاضطراب turbulence، والتي قال عنها ريتشارد فاينمان أنها أهم مسألة غير محلولة في الفيزياء الكلاسيكية 😯
انتظرونا في سرد علمي قادم ✨
انتظرونا في سرد علمي قادم ✨
جاري تحميل الاقتراحات...