کشف حالتی نوظهور در مواد توپولوژیک و شکست تقارن بلوری!

به گزارش مجله خبری نگار/برنا،پژوهشگران دانشگاه پرینستون در مطالعه‌ای تازه موفق به شناسایی نوعی قرینگی شکسته و کایرالیته (Chirality) پنهان در یک بلور به ظاهر متقارن شدند؛ کشفی که چشم‌انداز‌های جدیدی را برای درک فاز‌های کوانتومی پیچیده در مواد توپولوژیک می‌گشاید. این دستاورد علمی حاصل تلاش‌های «زاهد حسن» و گروه پژوهشی او در راستای بررسی ویژگی‌های نوظهور مواد کوانتومی توپولوژیک است.

به گزارش ساینس دیلی، در چند دهه اخیر دانشمندان حوزه فیزیک حالت‌جامد توانسته‌اند انواع جدیدی از فاز‌های کوانتومی را شناسایی کرده و ساختار‌های الکترونیکی توپولوژیک تازه‌ای را معرفی کنند. در این میان، «دانیل تسوی» استاد بازنشسته مهندسی برق دانشگاه پرینستون در سال ۱۹۹۸ موفق به دریافت جایزه نوبل فیزیک به‌دلیل کشف پدیده «اثر کوانتومی هال کسری» شد. همچنین، «اف. دانکن هالدین» استاد فیزیک این دانشگاه در سال ۲۰۱۶ نوبل فیزیک را برای کشفیات نظری در زمینه «گذار‌های فاز توپولوژیک» و نوعی «عایق توپولوژیک دوبعدی» از آن خود کرد.

مطالعات نظری بعدی نشان داد که عایق‌های توپولوژیک می‌توانند در قالب دو نسخه از مدل هالدین، مبتنی بر برهم‌کنش اسپین–مدار الکترون، تجلی یابند؛ مدلی که مبنایی برای طراحی بسیاری از مواد کوانتومی نوین شده است.

گروه پژوهشی حسن از سال ۲۰۰۷ با الهام از این دستاورد‌ها به کاوش در ویژگی‌های تازه‌ای از مواد کوانتومی توپولوژیک پرداختند. نخستین دستاورد مهم آنان کشف نمونه‌هایی از «عایق‌های توپولوژیک سه‌بعدی» بود. از آن زمان تاکنون، این گروه در مسیر کشف خواص نوین کوانتومی در موادی حرکت کرده‌اند که در آنها تقارن و توپولوژی با یکدیگر درهم‌تنیده‌اند.

کشف جدید: نظم بار کایرال در شبکه کاگومه

در تازه‌ترین پژوهش منتشرشده در Nature Communications (۲۲ آوریل ۲۰۲۵)، پژوهشگران نشان دادند که برخی کلاس‌های مواد توپولوژیک قادر به میزبانی حالت‌های چندجسمی کوانتومی هستند؛ حالت‌هایی که در دما‌های پایین، به‌صورت خودبه‌خودی تقارن‌های بنیادی را می‌شکنند و کایرالیته‌ای مشخص از خود نشان می‌دهند.

در این مطالعه، ساختار بلوری‌ای از نوع «شبکه کاگومه» (Kagome lattice) مورد بررسی قرار گرفت؛ ساختاری که به‌دلیل ویژگی‌های هندسی منحصر‌به‌فرد خود، بستری ایده‌آل برای ظهور حالت‌های غیرعادی کوانتومی محسوب می‌شود. محققان دریافتند که در این شبکه، نظم جدیدی از نوع «ترتیب بار کایرال» شکل می‌گیرد که با شکستن قرینگی‌های فضایی همراه است و به حالتی با دست‌سانی مشخص می‌انجامد.

این کشف نه تنها نشان‌دهنده وجود نظم‌های ناشناخته در مواد توپولوژیک است، بلکه افق‌هایی تازه در فهم برهم‌کنش‌های کوانتومی پیچیده میان الکترون‌ها می‌گشاید. همچنین می‌تواند در طراحی نسل آینده مواد کوانتومی کاربردی در الکترونیک، اسپینترونیک و رایانش کوانتومی نقش‌آفرین باشد.