مشاهده ی رفتار ماده کوانتومی هال در فضای خمیده و ویژگی های شگفت انگیز آن!

تصور عامه بر این است که نور و ماده، دو ماهیت جداگانه دارند و از قوانین متفاوتی پیروی می کنند. ماده، جرم دارد و معمولا با سایر مواد، برهمکنش دارد، در حالیکه نور، بدون جرم است و با خودش، برهمکنش نمی کند. اما میدانیم که در مکانیک کوانتومی، این دو ماهیت به ظاهر جداگانه، طبق دوگانگی موج-ذره، در واقع دو روی یک سکه اند که گاهی اوقات به صورت موج و گاهی اوقات به صورت ذره، رفتار می کنند. ماده کوانتومی هال ، یکی از مواردی است که این دوگانگی را به طرز جالبی نشان می دهد. با دیپ لوک همراه باشید…

دانشمندان از مهارکردن ماهیت موج گونه ی نور و ماده، برای پاسخ دادن به جذاب ترین سوالات مکانیک کوانتومی مواد، استفاده کرده اند. این موضوع، بسیار پیچیده است و پدیده های غیرملموسی را در بر می گیرد که شاید خیلی راحت به زبان غیرفنی، قابل توضیح نباشند، اما کاربردهای بسیار مهمی دارند. در مقاله ای که این هفته در ژورنال نام آشنای نیچر منتشر شد، گروه سیمون، مشاهدات آزمایشگاهی خود را از یک ماده کوانتومی هال در نزدیک تکینگی انحنا در فضا شرح دادند.

پیش درآمد: تکینگی و اثر هال

برای درک بهتر ادامه ی مطلب، دو مفهومی که ممکن است با آن آشنا نباشید به طور مختصر در زیر تعریف می کنیم:

• تکنیگی (singularity): یک ویژگی ریاضی است که به نقاطی از یک تابع اطلاق میشود که به خوبی تعریف نشده باشند، به عبارت دیگر نمیتوان رفتار تابع در آن نقاط حدس زد. به این نقاط، تکین (singular) می گویند. از نظر ریاضی، توابعی که پیوسته نبوده و در تمام نقاط مشتق پذیر نباشند، دارای نقاط تکین خواهند بود. پس به زبان ساده، نقاطی از یک تابع که رفتاری تند و زننده داشته باشند، مانند نقاط تقاطع، دارای تکینگی هستند. برای درک بهتر به منحنی های زیر توجه کنید که در آنها، نقاط تکین با دایره ی مشکی، مشخص شده اند.

از نظر فیزیکی، این نقاط تکین، دارای ویژگی های ساختاری بسیاری جالبی هستند که منجر به ویژگی های فیزیکی جالب تری خواهد شد، به همین دلیل، دانشمندان به مطالعه ی ویژگی های فیزیکی در این نقاط بسیار علاقمندند. همانطور که در ادامه خواهیم دید، نقاط تکینی که در این پژوهش مورد توجه قرار گرفته است، نوک مخروط است. برای درک بهتر فیزیک کوانتومی نقاط تکین، می توانید مقاله ی مفید زیر را مطالعه کنید:

فیزیک نقاط تکین در مکانیک کوانتومی

• اثر کوانتومی هال: این اثر مشابه اثر هال کلاسیکی است. به شکل زیر نگاه کنید: اگر دو قطب آهنربا را روبروی یکدیگر قرار دهیم، یک میدان مغناطیسی همگن بین آنها ایجاد می شود. حال یک بلور رسانا را در این میدان قرار داده و سپس یک جریان الکتریکی در جهت عمود بر میدان مغناطیسی به بلور اعمال می کنیم. با این کار یک اختلاف پتانسیل در بلور ایجاد خواهد شد. به کل این فرآیند، اثر هال می گویند. حال در شرایطی مانند میدان مغناطیسی بزرگ یا دمای پایین، رسانایی بلور مورد نظر دارای مقادیر کوانتیده خواهد شد که به آن اثر کوانتومی هال می گویند.

ماده کوانتومی هال

اثرات کوانتومی منجر به ظهور موادی با ویژگی های بسیار جالب می شوند. ماده کوانتومی هال ، یکی از این مواد جالب است که در آن، الکترون ها در مدارهای دایره ای (به جز در لبه های ماده) به دام می افتند. در این حالت، الکترون ها، رسانایی بدون مقاومت کوانتیزه شده ای را نشان می دهند که از بی نظمی های درون ماده مانند ناخالصی ها یا نقص های سطحی، مصون هستند.

از طرفی الکترون ها در ماده کوانتومی هال ، امواج صدا را منتقل نمی کنند، اما در عوض برانگیختگی های ذره مانند دارند که مشابه آن در هیچ ماده  دیگری دیده نشده است. در برخی از این مواد، درهم تنیدگی همزمان بین میلیون ها الکترون دیده می شود که وابستگی بسیار شدید الکترون ها به یکدیگر را نشان می دهد، یعنی حالت یکی از آنها به طور همزمان بر حالت تمام الکترون ها دیگر، تاثیر می گذارد. با داشتن تمام ویژگی های جالب بالا، ماده کوانتومی هال ، بستر بسیار مناسبی برای محاسبات کوانتومی آینده فراهم می کند.

در ۳۵ سال گذشته، محققان بسیاری از سراسر دنیا، وقت خود را برای کشف رازهای ماده کوانتومی هال صرف کرده اند، اما همه ی آنها از یک روش، استفاده می کنند: آنها از آهنرباهای ابررسانا برای ایجاد میدان های مغناطیسی بسیار قدرتمند و از فریزرها برای سرد کردن نمونه های الکترونیکی تا یک هزارم درجه بالای صفر مطلق، استفاده می کنند. (اگر یادتان باشد در قسمت پیش درآمد، دو ویژگی لازم برای رخ دادن اثر کوانتومی هال، دمای پایین و میدان مغناطیسی قوی بود)

به دام انداختن نور…

در این پژوهش جدید، سیمون و تیمش، ثابت کردند که ذات یک ماده کوانتومی هال از نور ساخته شده است. محققان به کمک آینه های روبروی هم، توانستند نور را برای یک مدت طولانی به دام بیاندازند. در این آزمایش (UChicago) فوتون ها، بین آینه ها، به طور پی در پی، منعکس می شوند، اما جالب اینجاست که در این حرکت ها، فوتون های بی جرم، مانند ذرات سنگین (مثل الکترون ها) حرکت می کنند.

محققان برای ایجاد یک میدان مغناطیسی قوی، چهار آینه را به گونه ای چیدند که نور با کمک انعکاس، یک دور کامل بین آینه ها بزند. این حرکت مدور باعث می شود تا فوتون ها مانند ذرات باردار در یک میدان مغناطیسی حرکت کنند، حتی با وجود اینکه هیچ آهنربای واقعی، آنجا وجود ندارد! اینجاست که فوتون، مانند یک ماده کوانتومی هال رفتار می کند.

در این سیستم، محققان می تواند فوتون ها را به صورت دقیق، کنترل کنند. این کنترل دقیق به آنها اجازه داد تا فوتون ها در یک فضای خمیده (یا یک نقطه ی تقریبا تکین)، جای دهند، کاری که به وسیله ی الکترون ها ممکن نیست.

نزدیک به یک تکینگی …

محققان یک مخروط نوری ساختند که دارای سه بخش بود و در آن، نور دارای یک تقارن سه محوری بود که آن را مجبور می کرد تا خودش را روی هر قسمت، تکرار کند. به طور کلی، نوک یک مخروط، دارای انحنای بی نهایت است و به یک نقطه ی تکین به شمار می آید؛ بنابراین محققان می توانستند رفتار ماده کوانتومی هال را در این انحنای زیاد مطالعه کنند. آنها مشاهده کردند که فوتون ها در نوک مخروط جمع شدند. این مشاهده ی تجربی، نظریه ی اثر کوانتومی هال در فضای خمیده را تایید می کند.

این برای نخستین بار است که در یک آزمایش، رفتار ماده کوانتومی هال در فضای خمیده مشاهده می شود. این پژوهش، احتمالات شگفت انگیز دیگری مانند ایجاد یک کریستال یا حالت های مایع کوانتومی عجیب از نور را امکان پذیر می کند. محققان می گویند این پژوهش می تواند برای نوع معینی از کامپیوترهای کوانتومی که از مواد کوانتومی هال ساخته می شوند، مفید باشد. اگرچه ماده کوانتومی هال  ، در دهه ی ۸۰ کشف شده بود، اما کشف رازهای شگفت انگیز آنها تا امروز ادامه داشته است.

دانلود مقاله ی اصلی به صورت PDF