ابرجامد در دمای اتاق کشف شد؛ انقلاب در فیزیک کوانتوم!

به گزارش مجله خبری نگار/بهار،همکاری گروهی از پژوهشگران موسسات مختلف اروپایی به مشاهده یک حالت کوانتومی جدید از ماده به نام ابرجامد (Supersolid) در یک چگالش بوز-اینشتین اکسیتون-پلاریتون منجر شده است.

این حالت کوانتومی با استفاده از جریان الکتریکی قابل تنظیم است و در دمای اتاق مشاهده شده است؛ دستاوردی که می‌تواند راه را برای توسعه تجهیزات فوتونیکی کوانتومی در آینده هموار کند.

فیزیکدانان از دهه ۱۹۶۰ میلادی این نظریه را مطرح کرده بودند که یک ابَرشاره می‌تواند در ساختاری شبیه بلور شکل بگیرد.

ابرشاره حالتی غیرمعمول از ماده است که در آن ویسکوزیته یا گران‌روی به طور کامل از بین می‌رود و مایع می‌تواند بدون هیچ‌گونه مقاومتی از مجرا‌های باریک عبور کند. ابرشاره حالتی از یک مایع است که هنگام حرکت هیچ اصطکاکی ندارد؛ یعنی بدون اینکه انرژی‌اش به خاطر اصطکاک تلف شود، جریان پیدا می‌کند.

اینکه چنین حالتی بتواند در یک ساختار سخت و بلورمانند وجود داشته باشد، در نگاه اول متناقض به نظر می‌رسد. با این حال، در سال ۲۰۱۷، این دو ویژگی یعنی بلوری بودن و ابرشاره بودن در یک ماده مشاهده شد که آن را ابرجامد نامیدند. ابرجامد برای نخستین بار به صورت آزمایشی در چگالش‌های بوز-اینشتین اتمی فوق سرد مشاهده شد.

تا پیش از این، برای ایجاد و بررسی چنین حالت کوانتومی عجیبی، معمولا به دما‌های نزدیک به صفر مطلق نیاز بود؛ یعنی دما‌هایی به شدت پایین‌تر از دمای معمولی محیط، اما اکنون گروهی از پژوهشگران دانشگاه ورشو، دانشگاه فناوری نظامی لهستان، مرکز پژوهشی IBM در زوریخ و مرکز ملی پژوهش‌های علمی فرانسه (CNRS) مسیر دیگری را برای بررسی امکان دستیابی به چنین حالت کوانتومی در دمای اتاق دنبال کرده‌اند.

ایجاد حالت کوانتومی با استفاده از نور

پژوهشگران در روش خود از جفت‌شدگی قوی میان نور و ماده درون یک ریزحفره نوری استفاده کردند تا اکسیتون-پلاریتون‌ها را ایجاد کنند که ذرات شبه ذره‌ای ترکیبی هستند که ویژگی‌هایی از نور و ماده را هم‌زمان دارند.

آنها از یک ساختار بسیار کوچک به نام «ریزتشدیدگر نوری» استفاده کردند. داخل این ساختار، نور و ماده طوری با هم برهم‌کنش دارند که ذرات ترکیبی خاصی به نام «اکسیتون-پلاریتون» به وجود می‌آید. این ذرات، ترکیبی از نور و ماده هستند و رفتار‌های کوانتومی جالبی از خود نشان می‌دهند.

این ریزحفره نوری با نوعی کریستال مایع ویژه پر شده بود و سطح آن نیز با یک نیمه‌رسانای آلی پوشانده شده بود. این ساختار امکان برقراری جفت‌شدگی میان نور و ماده را حتی در دمای اتاق فراهم می‌کرد.

اگرچه این شبه‌ذرات تنها برای چند پیکوثانیه دوام می‌آورند، همین زمان برای تشکیل یک چگالش بوز-اینشتین کافی است؛ حالتی که پس از شکل‌گیری مانند یک ابرشاره کوانتومی رفتار می‌کند. پژوهشگران برای تشخیص تبدیل این ابرشاره به حالت ابرجامد، به نوار‌های روشن و منظمی از نور توجه کردند که از نمونه ساطع می‌شدند.

دانشمندان به نوری که از نمونه خارج می‌شد، نگاه کردند و متوجه شدند که نور به شکل نوار‌های روشن و منظم ظاهر می‌شود. با تغییر پالس‌های لیزر، جای این نوار‌ها هم تغییر می‌کرد.

این الگو‌ها نشون می‌داد که ماده هم‌زمان دو نوع نظم متفاوت دارد؛ چیزی که با ویژگی‌های مورد انتظار از حالت ابرجامد مطابقت داشت. نکته جالب این بود که هر پالس لیزری که برای تحریک نمونه استفاده می‌شد، نوار‌های روشن را در موقعیت‌های متفاوتی ایجاد می‌کرد.

گروه پژوهشی همچنین موفق شد دو نوع نظم متفاوت را به طور هم‌زمان مشاهده کند: یکی در قطبش نور و دیگری در شدت نور.

پژوهشی چالش‌برانگیز

از آنجا که نیمه‌رسانای آلی با کریستال مایع واکنش نشان می‌داد، پژوهشگران مجبور بودند تمام اندازه‌گیری‌ها را ظرف چند ساعت پس از آماده‌سازی نمونه انجام دهند.

تکرار هر آزمایش نیز مستلزم آماده‌سازی یک نمونه جدید بود؛ موضوعی که انجام این پژوهش را دشوارتر از حد انتظار می‌کرد.

مرکز پژوهشی IBM در زوریخ مسئول انجام اندازه‌گیری‌ها و ایجاد لایه‌های نازک از نیمه‌رسانا‌های آلی روی ساختار‌های فوتونیکی ساخته شده توسط دانشگاه فناوری نظامی لهستان بود.

طبق بیانیه منتشرشده از سوی دانشگاه ورشو، مرکز پژوهشی IBM در زوریخ سال‌ها است روی لایه‌های نیمه‌رسانای آلی کار می‌کند و حتی پیش‌تر موفق به مشاهده چگالش‌های بوز-اینشتین در این مواد شده است؛ اما این نخستین بار بود که پژوهشگران این مرکز با یک ریزحفره مبتنی بر کریستال مایع کار می‌کردند.

بیشتر مطالعات مربوط به حالت‌های کوانتومی غیرمعمول ماده به دما‌های فوق سرد، نزدیک به صفر مطلق، نیاز دارند.

با این حال، این پژوهش نشان می‌دهد که با استفاده از سامانه‌های فوتونیکی می‌توان چنین حالت‌های کوانتومی را در دمای اتاق نیز مشاهده کرد.

ویکتور پیستک، استاد دانشگاه فناوری نظامی لهستان، می‌گوید: ریزحفره‌های کریستال مایع ما حتی می‌توانند در دما‌هایی نزدیک به ۶۰ درجه سانتی‌گراد نیز کار کنند.

از آنجا که ریزحفره‌های نوری را می‌توان با استفاده از ولتاژ خارجی تنظیم کرد و ویژگی‌های آنها را تغییر داد، این فناوری می‌تواند به ساخت تجهیزات فوتونیکی کوانتومی کاربردی‌تر کمک کند. همچنین امکان مطالعه فاز‌های کوانتومی نور و ماده را فراهم می‌کند.