در دنیای کوانتوم، بعضی از ویژگی‌های ماده فقط در شرایط بسیار خاص دیده می‌شوند؛ برای مثال، گاهی لازم است مواد تا دماهایی نزدیک به صفر مطلق سرد شوند تا رفتارهای کوانتومی آن‌ها آشکار شود. اما پژوهش تازه‌ای که در فیزیک انجام شده، توجه دانشمندان را به امکان ایجاد یکی از حالت‌های غیرمعمول ماده در دمای اتاق جلب کرده است؛ دستاوردی که می‌تواند مطالعه پدیده‌های کوانتومی را ساده‌تر کند و مسیرهای تازه‌ای برای توسعه فناوری‌های آینده پیش روی پژوهشگران بگذارد.
اول باید بدانیم چرا این کشف عجیب است
در زندگی روزمره، ماده را معمولاً در سه حالت می‌شناسیم: جامد، مایع و گاز. یخ جامد است، آب مایع و بخار آب گاز. هرکدام از این حالت‌ها ویژگی‌های مشخصی دارند؛ برای مثال، جامد شکل خود را حفظ می‌کند، اما مایع می‌تواند جریان پیدا کند و شکل ظرف را به خود بگیرد.
بااین‌حال، در مقیاس بسیار کوچک اتم‌ها و ذرات، ماده می‌تواند رفتارهایی از خود نشان دهد که در تجربه روزمره ما عجیب به نظر می‌رسند. یکی از این حالت‌ها ابرسیال و شکل پیشرفته‌تر آن ابرجامد است؛ حالتی که در آن ماده می‌تواند هم‌زمان ویژگی‌هایی شبیه مایع و بلور جامد داشته باشد.
ابرسیال چیست و چرا اهمیت دارد؟
برای درک ابرجامد، ابتدا باید با مفهوم ابرسیال آشنا شویم. در مایعات معمولی، اصطکاک داخلی یا گران‌روی باعث می‌شود جریان یافتن مایع با مقداری مقاومت همراه باشد. اما در یک ابرسیال، این مقاومت در شرایط مشخص از بین می‌رود و ماده می‌تواند بدون اتلاف انرژی ناشی از گران‌روی جریان پیدا کند.
این رفتار با قوانین مکانیک کوانتومی توضیح داده می‌شود و معمولاً در شرایطی مشاهده می‌شود که ذرات به‌شدت سرد شده‌اند. در چنین وضعیتی، رفتار جمعی ذرات اهمیت بیشتری پیدا می‌کند و دیگر نمی‌توان آن‌ها را صرفاً مجموعه‌ای از ذرات مستقل در نظر گرفت.
ابرجامد؛ ماده‌ای که هم جریان پیدا می‌کند و هم نظم بلوری دارد
ابرجامد یکی از غیرمعمول‌ترین حالت‌های شناخته‌شده ماده است؛ زیرا دو ویژگی ظاهراً متضاد را در کنار هم قرار می‌دهد:
-
رفتار شبیه جامد: ذرات در یک الگوی منظم و تکرارشونده، شبیه آرایش اتم‌ها در یک بلور، قرار می‌گیرند.
-
رفتار شبیه ابرسیال: سامانه می‌تواند ویژگی جریان بدون گران‌روی را نیز نشان دهد.
به زبان ساده، تصور کنید ماده‌ای داشته باشیم که درون آن یک الگوی منظم و شبیه شبکه بلوری شکل گرفته، اما در عین حال رفتار سیال و کوانتومی خود را حفظ کرده است. این ترکیب عجیب همان چیزی است که فیزیک‌دان‌ها آن را ابرجامد می‌نامند.
ایده وجود چنین حالتی از دهه ۱۹۶۰ میلادی در فیزیک مطرح بود، اما مشاهده آزمایشگاهی آن به سال ۲۰۱۷ و آزمایش‌هایی با اتم‌های فوق‌سرد بازمی‌گردد. چالش اصلی این بود که برای ایجاد و بررسی چنین رفتارهایی معمولاً به تجهیزات پیچیده و دماهای بسیار پایین نیاز داشت.
دانشمندان چگونه ابرجامد را در دمای اتاق ایجاد کردند؟
پژوهش جدید از یک روش متفاوت استفاده کرده است. گروهی بین‌المللی از دانشمندان به‌جای تکیه بر اتم‌هایی که باید تا نزدیکی صفر مطلق سرد شوند، از ترکیب نور و ماده در یک ساختار بسیار کوچک به نام ریزکاواک نوری استفاده کردند.
ریزکاواک را می‌توان محفظه‌ای میکروسکوپی تصور کرد که نور را در فضای بسیار کوچکی محبوس می‌کند تا فرصت برهم‌کنش قوی‌تری با ماده داشته باشد. در این آزمایش، پژوهشگران دو ماده را با یکدیگر ترکیب کردند:
-
کریستال مایع: ماده‌ای که ویژگی‌های نوری آن را می‌توان با اعمال ولتاژ تغییر داد.
-
نیمه‌رسانای آلی: ماده‌ای که برهم‌کنش قدرتمندی با نور دارد.
سپس با تاباندن پالس‌های لیزر، انرژی لازم برای شکل‌گیری رفتار کوانتومی را فراهم کردند. حاصل این فرایند، سامانه‌ای بود که در آن نور و ماده به‌شکل غیرمعمولی با یکدیگر ترکیب شدند و امکان شکل‌گیری حالت ابرجامد را فراهم کردند.
نکته مهم این است که ساختار مورد استفاده برای این آزمایش در دمای محیط کار می‌کند و حتی قابلیت فعالیت در دماهای نزدیک به ۶۰ درجه سانتی‌گراد را دارد. بنابراین، برخلاف بسیاری از آزمایش‌های پیشین، به سامانه‌های سرمایشی بسیار گران‌قیمت و پیچیده نیاز نیست.
نقش ذرات اکسیتون-پولاریتون در این آزمایش چیست؟
یکی از اصطلاحات تخصصی این پژوهش، اکسیتون-پولاریتون است. شاید این نام در نگاه اول پیچیده به نظر برسد، اما مفهوم آن قابل درک است.
وقتی نور درون ساختار نوری با ماده برهم‌کنش بسیار قوی برقرار می‌کند، می‌توان حالت ترکیبی حاصل را به‌صورت یک شبه‌ذره توصیف کرد. این شبه‌ذره نه کاملاً نور است و نه کاملاً ماده؛ بلکه ویژگی‌هایی از هر دو را دارد.
به همین دلیل، اکسیتون-پولاریتون‌ها برای مطالعه رفتارهای کوانتومی نور و ماده اهمیت دارند. آن‌ها می‌توانند به‌صورت جمعی رفتار کنند و شرایط لازم برای شکل‌گیری نوعی چگالش بوز-اینشتین را فراهم آورند.
چگالش بوز-اینشتین حالتی است که در آن تعداد زیادی ذره یا شبه‌ذره در شرایط مناسب، رفتار کوانتومی هماهنگی پیدا می‌کنند؛ به‌طوری‌که می‌توان مجموعه آن‌ها را مانند یک سامانه کوانتومی واحد توصیف کرد.
در آزمایش جدید، همین رفتار جمعی اکسیتون-پولاریتون‌ها زمینه شکل‌گیری حالت ابرسیال و سپس ساختار ابرجامد را فراهم کرد.
دانشمندان از کجا فهمیدند واقعاً ابرجامد ساخته‌اند؟
صرف مشاهده یک الگوی منظم در نور خروجی برای اثبات شکل‌گیری ابرجامد کافی نیست. پژوهشگران باید نشان می‌دادند که ساختار مشاهده‌شده واقعاً از رفتار درونی سامانه کوانتومی ناشی می‌شود، نه اینکه صرفاً شکل ریزکاواک یا تجهیزات آزمایشگاهی آن را تحمیل کرده باشد.
برای بررسی این موضوع، آن‌ها آزمایش را با پالس‌های لیزری متوالی تکرار کردند. در هر بار تحریک، الگوهای نواری روشن در نور خروجی ظاهر شدند؛ اما جایگاه این نوارها در دفعات مختلف کمی تغییر می‌کرد.
این تغییر اهمیت زیادی داشت: سامانه در هر بار آزمایش، خودش یکی از چند آرایش ممکن را انتخاب می‌کرد. چنین رفتاری با پدیده‌ای به نام شکست خودبه‌خودی تقارن ارتباط دارد.
برای فهم ساده‌تر این مفهوم، تصور کنید چند آرایش مختلف برای یک سامانه وجود داشته باشد که از نظر قوانین فیزیک هیچ‌کدام بر دیگری برتری ندارند. بااین‌حال، وقتی سامانه شکل می‌گیرد، یکی از آن آرایش‌ها را انتخاب می‌کند. این انتخاب بدون آنکه یک عامل بیرونی مشخص، جایگاه دقیق الگو را تعیین کرده باشد، رخ می‌دهد.
پژوهشگران همچنین آزمایش را روی نمونه‌های مختلف تکرار کردند و نتایج را با شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای سنجیدند. مشاهده ساختارهای گردابی کوانتومی نیز شواهد دیگری از رفتار ابرسیال این سامانه فراهم کرد.
آیا این ابرجامد واقعاً پایدار است؟
با وجود اهمیت این دستاورد، نباید تصور کرد دانشمندان یک قطعه ماده جامد ساخته‌اند که در دمای اتاق برای مدت طولانی هم شکل بلوری خود را حفظ می‌کند و هم بدون اصطکاک جریان دارد.
این آزمایش با محدودیت‌هایی همراه بود:
-
عمر کوتاه حالت کوانتومی: شبه‌ذرات اکسیتون-پولاریتون فقط برای مدت بسیار کوتاهی وجود دارند؛ در حد چند پیکوثانیه. این زمان کوتاه برای شکل‌گیری رفتار جمعی و اندازه‌گیری آن کافی بود.
-
ناپایداری ترکیب مواد: نیمه‌رسانای آلی به‌مرور با کریستال مایع واکنش می‌داد و کیفیت نمونه کاهش پیدا می‌کرد. به همین دلیل، پژوهشگران باید اندازه‌گیری‌ها را در چند ساعت نخست پس از آماده‌سازی نمونه انجام می‌دادند.
-
نیاز به تحریک لیزری: این حالت با پالس‌های لیزر ایجاد می‌شد؛ بنابراین با یک ماده معمولی و پایدار که بدون دریافت انرژی رفتار ابرجامد داشته باشد، تفاوت دارد.
پس اهمیت کشف جدید در ساخت یک ماده مصرفی یا محصول آماده نیست؛ بلکه در فراهم‌کردن روشی تازه برای مطالعه رفتارهای کوانتومی در شرایطی ساده‌تر از آزمایش‌های فوق‌سرد گذشته است.
این کشف چه کاربردهایی می‌تواند داشته باشد؟
شاید در نگاه اول، ساخت یک حالت عجیب از ماده ارتباط چندانی با زندگی روزمره نداشته باشد؛ اما شناخت و کنترل رفتار نور و ماده در مقیاس کوانتومی می‌تواند در توسعه فناوری‌های آینده نقش مهمی ایفا کند.
یکی از حوزه‌های امیدوارکننده، فوتونیک کوانتومی است؛ شاخه‌ای از علم که به تولید، کنترل و استفاده از نور برای انجام پردازش‌ها و انتقال اطلاعات می‌پردازد.
چند زمینه که ممکن است از این پژوهش بهره ببرند عبارت‌اند از:
-
پردازش نوری اطلاعات: استفاده از نور به‌جای جریان الکتریکی در برخی فرایندهای پردازشی می‌تواند به توسعه سامانه‌های سریع‌تر و کم‌مصرف‌تر کمک کند.
-
حسگرهای دقیق: حساسیت ویژگی‌های نوری این سامانه به تغییرات محیطی ممکن است برای ساخت حسگرهای پیشرفته مفید باشد.
-
رایانش نورومورفیک: این حوزه تلاش می‌کند ساختار و شیوه پردازش اطلاعات در مغز را با استفاده از سخت‌افزارهای جدید شبیه‌سازی کند. سامانه‌های فوتونیکی می‌توانند یکی از مسیرهای توسعه آن باشند.
-
مطالعه پدیده‌های کوانتومی: محققان می‌توانند رفتارهایی مانند ابرسیالیت، گردابه‌های کوانتومی و برهم‌کنش نور و ماده را با تجهیزات ساده‌تر بررسی کنند.
البته هیچ‌کدام از این کاربردها به معنای آماده‌بودن فناوری برای استفاده تجاری نیستند. پژوهش فعلی بیشتر یک دستاورد بنیادی است که می‌تواند پایه آزمایش‌های پیشرفته‌تر در آینده باشد.
چرا امکان انجام آزمایش در دمای اتاق مهم است؟
یکی از مشکلات مهم در پژوهش‌های کوانتومی، نیاز به ایجاد شرایط بسیار سرد و کنترل‌شده است. برخی از حالت‌های کوانتومی تنها زمانی شکل می‌گیرند که حرکت حرارتی ذرات تا حد زیادی کاهش پیدا کند. برای رسیدن به چنین شرایطی، آزمایشگاه‌ها به تجهیزات سرمایشی تخصصی و پرهزینه نیاز دارند.
اما روش جدید نشان می‌دهد برای بررسی برخی از رفتارهای کوانتومی، می‌توان از ترکیب نور و مواد مهندسی‌شده در دمای محیط استفاده کرد. این موضوع دو مزیت مهم دارد: کاهش وابستگی به تجهیزات سرمایشی پیچیده و فراهم‌شدن امکان کنترل الکتریکی ویژگی‌های سامانه.
در واقع، پژوهشگران به‌جای آنکه صرفاً تلاش کنند محیط را به شرایط نزدیک صفر مطلق برسانند، مسیر دیگری را انتخاب کرده‌اند: طراحی ماده و ساختاری که بتواند در دمای معمولی رفتار کوانتومی موردنظر را ایجاد کند.
قدم بعدی دانشمندان چیست؟
پژوهشگران برای ادامه این مسیر، دو هدف مهم را دنبال می‌کنند: افزایش مدت‌زمان پایداری حالت ابرجامد و بررسی دقیق‌تر گردابه‌های کوانتومی که در الگوهای ایجادشده مشاهده شده‌اند.
همچنین قابلیت تنظیم الکتریکی ریزکاواک‌های کریستال مایع می‌تواند به دانشمندان اجازه دهد ویژگی‌های سامانه را هنگام آزمایش تغییر دهند و تأثیر این تغییرات را بررسی کنند. چنین قابلیتی برای مطالعه دقیق‌تر ارتباط میان نور، ماده و رفتارهای کوانتومی اهمیت زیادی دارد.
جمع‌بندی؛ آیا فیزیک‌دان‌ها حالت تازه‌ای از ماده ساخته‌اند؟
بله؛ پژوهشگران موفق شده‌اند حالت ابرجامد را در یک سامانه مبتنی بر اکسیتون-پولاریتون و در دمای اتاق مشاهده کنند. این حالت، نظم ساختاری شبیه بلور را با ویژگی‌های ابرسیالی ترکیب می‌کند؛ ترکیبی که در نگاه نخست متناقض به نظر می‌رسد.
اهمیت اصلی این دستاورد آن است که برای مطالعه چنین رفتار کوانتومی‌ای دیگر همیشه به سرمایش شدید نیاز نیست. البته حالت ایجادشده بسیار کوتاه‌عمر است و هنوز فاصله زیادی تا کاربردهای عملی دارد؛ اما می‌تواند راه را برای آزمایش‌های ساده‌تر و توسعه فناوری‌های فوتونیکی پیشرفته هموار کند.
منابع:
- ScienceAlert
- دانشکده فیزیک دانشگاه ورشو
