يحب المتسوقون الماس الخالي من العيوب، ولكن بالنسبة لعلماء الفيزياء الكمومية، فإن العيوب هي الجزء الأفضل.

أمضت إليزابيث رولك، كبيرة السن، العام الماضي في استخدام الليزر والماس المعيب - رقائق صغيرة من الماس مع عيوب بحجم ذرة واحدة - لتطوير جهاز استشعار كمي.

الرقاقة الشفافة الموجودة في وسط الجهاز عبارة عن صفيحة ماسية، تم تصنيعها بدقة لتكون 2 مم على الجانب وسمكها 0.3 مم، مع عيوب في الحجم الذري تقوم فيها Rülke ومستشارتها Nathalie de Leon بتلميع الليزر الأخضر والبرتقالي.

صورة بواسطة

ديفيد كيلي كرو لمكتب الاتصالات الهندسية

على عكس أجهزة الكمبيوتر الكمومية، التي لا تزال نظرية أكثر منها عملية، فإن أجهزة الاستشعار الكمومية قيد الاستخدام بالفعل. Rülke ومستشارها، عالم فيزياء الكم ناتالي دي ليون، يعملون على نهج جديد للاستشعار الكمي يعتمد على استخدام اثنين من هذه العيوب أحادية الذرة في وقت واحد.

قال Rülke، وهو مُركز فيزيائي يسعى للحصول على شهادة في الرياضيات التطبيقية والحسابية: «نظرًا لصغر حجمها، يمكنك البدء في رسم خرائط الأشياء واستشعارها على نطاق لم يكن ممكنًا من قبل». «سيكون ثوريًا في الكيمياء والبيولوجيا وخاصة الأجهزة الطبية.»

قال دي ليون، الأستاذ المساعد في الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر وعضو هيئة تدريس مشارك في قسم الفيزياء: «إن العمل مع طلاب لامعين جدًا مثل إليزابيث هو دائمًا مجرد امتياز». «إنها تقدم منظورًا جديدًا ونظرة مختلفة على الأشياء، وقد جلب ذلك مزيدًا من الإبداع في المشروع مما أعتقد أنه كان سيحدث بخلاف ذلك. أنا محظوظ لوجودي في جامعة برينستون وجعل هؤلاء الطلاب الرائعين يطرقون بابي».

عرفت Rülke قبل مجيئها إلى برينستون أنها تريد دراسة الفيزياء وعلم الفلك، لكنها عرفت أيضًا أنها تريد الاستفادة الكاملة من الفنون الحرة. «لقد تلقيت دورات في التاريخ والفلسفة والدين وريادة الأعمال والسينما والفن وغيرها، وأعتقد أنها كانت حجر الزاوية في تجربتي في برينستون. قال Rülke، الذي ولد ونشأ في لندن، إن الجزء الرائع في تعليم الفنون الحرة في برينستون هو أنه يسمح لك بأخذ دروس في مجموعة من المواد، مما يعني أن ما تختار التخصص فيه ليس المحور الوحيد لتعليمك، كما هو الحال مع معظم الجامعات البريطانية والسبب القوي وراء رغبتي في الدراسة في الولايات المتحدة.

وأضافت: «أعتقد أن هناك تداخلًا في التفكير النقدي والإبداعي المستخدم في كل من دورات الفيزياء والرياضيات ذات المستوى الأعلى ومواد العلوم الإنسانية».

عندما أغلقت جامعة برينستون حرمها الجامعي أمام التدريس الشخصي في مارس من العام الأول لرولكي، عادت إلى منزلها في لندن لحضور دروس Zoom. في ذلك الصيف، عندما تم تخفيف قيود السفر، انتقلت هي وزميلتها في جامعة برينستون إلى شقة في روما. قال Rülke: «لقد أخذت درسًا في تاريخ الفن في خريف ذلك العام، وكان الأمر رائعًا». «أتذكر أن إحدى المهام طلبت منا البحث عن الفن «أينما كنت». نظر معظم زملائي إلى إبريق شاي من منزلهم، واخترت تمثال بيرنيني».

بعد عودتها إلى الحرم الجامعي، قررت أن تركز أول ورقة بحثية لها على سؤال هائل حقًا: طبيعة الطاقة المظلمة في الكون.

قالت: «لم تحصل على دورة في النسبية العامة، ولم تحصل على دورة في علم الكونيات، ولم تكن خائفة على الإطلاق». بول ستاينهاردت، أستاذ ألبرت أينشتاين في العلوم في جامعة برينستون وأستاذ الفيزياء الذي كان مستشارها في تلك الورقة. «من الواضح أن الأمر كان بمثابة مجهود بالنسبة لها، لكنها كانت مليئة بالطاقة والحماس. أنا أستمتع حقًا برؤية طالب يتمدد ويتعلم، وهذا بالتأكيد ميز إليزابيث. لقد كسرت ساقها في ذلك الفصل الدراسي، لكنها كانت لا تزال تأتي دائمًا إلى اجتماعاتنا الأسبوعية بحماس وابتهاج والكثير من الأسئلة البحثية الرائعة».

بعد أن عملوا معًا على هذه الورقة، عملت ستاينهاردت كقارئ ثانٍ لورقة Rülke الثانية للمبتدئين، ثم أعادت تمثيل هذا الدور في أطروحتها العليا. وقال: «سأكون قد قرأت جميع أطروحاتها بحلول الوقت الذي ننتهي فيه».

الفيزياء على جميع المستويات، من علم الكونيات إلى الكم

جاءت Rülke إلى برينستون وهي تعلم أنها تريد الانغماس في STEM - العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات - وتحديدًا في الفيزياء وعلم الفلك.

وقالت: «إن أقسام الفيزياء الفلكية والفيزياء في برينستون مذهلة للغاية». «أشعر بأنني محظوظ للغاية. عندما زرت برينستون بعد دخولي، ذهبت لرؤية الفصل الدراسي القديم لأينشتاين وتوجهت إلى منزله، الذي يقع بالقرب من الحرم الجامعي».

في المختبر، يُجري Rülke مسحًا متحد البؤرة لتحديد مراكز NV في شبكة الماس.

صورة بواسطة

دينيس أبلوايت، مكتب الاتصالات

بعد أن تناولت علم الكونيات النظري في أول مشروع بحثي مستقل لها، أرادت أن تجرب شيئًا عمليًا أكثر، لذلك قامت بعمل ورقتها البحثية الثانية للمبتدئين حول الدفع بالبلازما. «كان كلاهما مثيرًا للاهتمام للغاية. كانت الأولى نظرية للغاية، والثانية كانت تجريبية للغاية تقريبًا». «كنت في الواقع أتسلق دبابة دفع بأدوات وأقوم بالعبث بالأشياء الموجودة هناك. لذلك بالنسبة لأطروحتي، أردت شيئًا في المنتصف».

لقد خدم منظورها الواسع Rülke جيدًا في تعاملها مع الاستشعار الكمي، وهي مشكلة جمعت أساتذة من الفيزياء والكيمياء والهندسة بهدف معالجة مجموعة كبيرة من المشكلات، من الفيزياء الحيوية والتطبيقات الطبية الحيوية إلى فيزياء المواد المكثفة وتصميم أجهزة استشعار ملاحية جديدة.

قال دي ليون: «إن الروح العامة لمجموعتي البحثية هي محاولة رؤية المشاكل دون أي حدود قدر الإمكان». «يميل نهجنا في التعامل مع المشكلات إلى البدء بـ «ما الذي يتطلبه الأمر لحل هذا؟ لدينا كل الفيزياء وكل الكيمياء وجميع هندسة المواد - جميع أدوات البشرية - لذلك دعونا نرى ما إذا كان بإمكاننا شق طريقنا إلى حل. من المؤكد أن إليزابيث تتلاءم مثل سمكة في الماء».

يُصنع الماس من الكربون النقي، وكذلك الفحم والجرافيت في أقلام الرصاص. لكن يمكنك الكتابة باستخدام أقلام الرصاص (والفحم) لأن ذرات الكربون هذه منظمة في صفائح تنزلق بعيدًا عن بعضها البعض بأدنى ضغط، تاركةً علامات وراءك.

على النقيض من ذلك، تم إجبار ذرات الكربون في الماس على الاندماج معًا بضغط هائل، مما أدى إلى ازدحام الذرات معًا في شبكة مثالية ومعقدة. يسمح هذا بخاصية فريدة أخرى: عندما تدفع ذرة النيتروجين وتنزح اثنان ذرات الكربون، فإنها تخلق عيبًا صغيرًا يسمى «مركز شغور النيتروجين» أو «مركز NV».

تتصرف مراكز NV مثل إبر البوصلة الصغيرة وقد تم استخدامها في أجهزة الاستشعار الكمومية التي يمكنها قياس المجالات المغناطيسية. أثناء الحجر الصحي في المنزل أثناء جائحة COVID، بدأ دي ليون يتساءل عما سيحدث إذا كان هناك مركزان NV، منفصلان بدقة داخل شريحة الماس.

اتضح أنه في حين أنه من الصعب جدًا قياس شغرين من النيتروجين في وقت واحد، بمجرد القيام بذلك، يمكنك قياس الكميات الفيزيائية الجديدة، أي الارتباطات في المجال المغناطيسي في المكان والزمان. قال دي ليون إنه من خلال القياسات المتزامنة لمركزي NV، أصبح من الممكن إنشاء عالم جديد تمامًا من القياسات النانوية.

وقالت: «هذا شيء جديد بشكل أساسي». «العالم هو المحار الخاص بنا. يمكننا استخدام هذه التقنية الجديدة التي تقيس كمية مادية جديدة تمامًا. لذلك دعونا ننظف! دعونا نلقي نظرة على كل ما كان الناس يحاولون القيام به في الثمانينيات ثم تعثروا لأنهم لم يكن لديهم الأداة المناسبة. ربما هناك بعض الفيزياء الرائعة حقًا التي يمكننا تعلمها. هذا هو المكان الذي تأتي فيه إليزابيث».

التغلب على عدم اليقين

استغرقت الرحلة من الإلهام الوبائي إلى قياس مركزي NV في وقت واحد سنوات. أمضت دي ليون وباحث ما بعد الدكتوراة في مختبرها، جاريد روفني، 18 شهرًا في دراسة الرياضيات وأطول من ذلك لمعرفة كيفية بناء أداة تتيح لك تسليط الليزر على جسمين بحجم الذرة ثم عد الفوتونات المتطايرة. لقد أظهروا هذه التقنية لأول مرة بدقة 500 نانومتر. (للمقارنة، تبلغ الفترة في نهاية هذه الجملة حوالي مليون نانومتر.) ركزت أطروحة Rülke العليا على تحسين هذه الدقة من 500 نانومتر إلى 10 نانومتر أو ربما حتى نانومتر واحد.

تُنسب Rülke الفضل إلى دوراتها الدراسية ومشاريعها البحثية المستقلة في الجامعة في تطوير قدرتها على التغلب على عدم اليقين ومواجهة التحديات وجهاً لوجه.

«أتذكر اختبار الفيزياء لمدة ثلاث ساعات والذي كان يحتوي على سؤالين فقط. عليك أن تقضي الكثير من الوقت في التأقلم في الظلام، ومحاولة التفكير في كيفية القيام بذلك، والطريقة التي يجب أن تبدأ بها - وبناء المهارات للقيام بذلك يجعلك شخصًا لديه القدرة على التفكير النقدي حقًا وعدم الخوف إذا كنت تواجه مشكلة لا يمكنك رؤية النهاية حقًا فيها أو لا تعرف حقًا كيفية حلها.

وقالت: «في المدرسة الثانوية، كرهت هذه الأنواع من المشاكل». «أحببت الوصول إلى الإجابة والحصول عليها بشكل صحيح. حدث هذا النمو في برينستون».

الحكم الذاتي مع الدعم

استمتعت هي ودي ليون بجلسات تقديم المشورة الأسبوعية للأطروحة.

قال Rülke: «لدي ما يكفي من الاستقلالية لأقرر ما أريد القيام به بالضبط». لكن دي ليون يقدم أيضًا مساعدة كافية «للتأكد من أن لدي المعرفة الأساسية الصحيحة».

قال دي ليون عن Rülke: «إنها تظهر دائمًا في مكتبي وهي مشمسة للغاية ومتحمسة جدًا». «لا أعرف من أين تحصل على كل هذه الطاقة. حتى لو كان منتصف موسم منتصف الموسم أو موسم تقديم الطلبات، فإنها لا تزال تظهر وتقول: «حسنًا، هذا ما فعلته. انظر إلى جميع بياناتي. دعونا نناقش ذلك. ها هي خطتي. أعتقد أن هذا الشيء مثير للاهتمام حقًا.»

1

تقوم Rülke ومستشارة أطروحتها، عالمة الفيزياء الكمومية ناتالي دي ليون (على اليمين)، بقياس مركزين لشغور النيتروجين في وقت واحد. عرضت دي ليون وباحثها في مرحلة ما بعد الدكتوراه جاريد روفني هذه التقنية لأول مرة بدقة 500 نانومتر، وركزت أطروحة Rülke العليا على تحسين هذه الدقة حتى 10 نانومتر أو ربما حتى نانومتر واحد.

صورة بواسطة

دينيس أبلوايت، مكتب الاتصالات

2

تقوم Rülke بجولة لوالديها في Cottage Club في خريف 2022.

بإذن من إليزابيث رولك

خارج نطاق دوراتها الدراسية، تعتبر Rülke عضوًا في كلية Mathey وتعمل كرئيسة للتنوع والإنصاف والشمول في University Cottage Club. انخرطت في ريادة الأعمال من خلال مركز كيلر ونادي ريادة الأعمال، وسافرت إلى كاليفورنيا مع Silicon Valley Tiger Track للقاء رواد الأعمال وشركات رأس المال الاستثماري والشركات ذات الصلة بالفضاء.

حصلت على جائزة مانفريد بيكا التذكارية في الفيزياء، التي تُمنح لطلاب الفيزياء المتميزين الذين أظهروا التميز في العمل الدراسي والوعد في البحث المستقل؛ وزمالة جوسلين بيل بورنيل، التي تهدف إلى تشجيع النساء على متابعة الفيزياء؛ ومنحة شوارزمان، التي تغطي تكلفة برنامج الماجستير لمدة عام واحد في جامعة تسينغهوا في بكين.

تقول Rülke إنها تشعر «بالانجذاب نحو أن تكون مواطنة عالمية»، بعد أن ولدت في المملكة المتحدة لأب ألماني وأم صينية.

وقالت: «هويتي الثقافية معقدة». «لدي عائلة في أجزاء مختلفة من العالم، وأحيانًا يعني كونك مختلطًا العرق أنك لا تشعر أنك لائق تمامًا في أي مكان. أثناء زيارتي للعائلة في ألمانيا أو الصين، لم أبدو مثل أي شخص آخر.

قال Rülke: «عندما كنت طفلاً، جعلني ذلك أشعر بأنني لست في مكاني أحيانًا، ولكن مع تقدمي في السن، بدأت أستمتع به». «أعتقد أن التميز أفضل بكثير من الاختفاء وسط حشد من الناس.»