کشف فرمیون ویل پس از ۸۵ سال پژوهش: گامی در پیشرفت شگرف وسایل الکترونیکی

اگرچه نظریه ی کوانتومی در نخستین سال قرن نوزدهم متولد شد، اما اثبات پیش بینی های آن تا کنون ادامه یافته و مطمئناً در سال های آینده همچنان ادامه خواهد یافت. با دیپ لوک همراه باشید…

حالا پس از ۸۵ سال، یکی دیگر از پیش بینی های کوانتوم، به واقعیت بدل شده است. ذره ای بدون جرم به نام فرمیون ویل که در سال ۱۹۲۹ و توسط ریاضیدان و فیزیکدان هرمان ویل، پیش بینی شده بود. اما شاید خیلی از دوستان با این ذره و میزان اهمیت آن آشنا نباشند. پس اجازه دهید قبل از هر چیز، شما را با ذره ی شگفت انگیز آشنا کنم.

تمام ذرات هستی بر اساس یک ویژگی ذاتی به نام “اسپین” به دو دسته ی فرمیون و بوزرون تقسیم می شوند. اگر اسپین یک ذره، نیمه صحیح (کسری) باشد، فرمیون بوده و اگر اسپین آن صحیح باشد، در دسته ی بوزون ها جای خواهد گرفت. مثلاً الکترون، یک فرمیون است در حالیکه فوتون (ذره ی نور) یک بوزون است. بسیار جالب است که همین اختلاف اندک، باعث تفاوت های شگرفی بین دو دسته از ذرات می شود. هر یک از این دو دسته، به شاخه های بسیار متعدد دیگری تقسیم می شوند که ما از مرور تفصیلی آنها صرفنظر می کنیم. به طور کلی فرمیون ها از نظر ریاضی به سه دسته ی ویل (weyl)، دیراک (dirac) و مایورانا (majorana) تقسیم می شوند. فرمیون های ویل، بدون جرم بوده و قهرمان مقاله ی امروز هستند. فرمیون های دیراک دارای جرم بوده و اکثر فرمیون هایی که می شناسیم متعلق به این دسته هستند. فرمیون های مایورانا، ذراتی هستند که پادماده ی خودشان هستند و از این لحاظ برخلاف فرمیون های دیراک هستند که هریک پادذره ی جداگانه ای دارند. اما نکته ی جالب این است که همین فرمیون های دیراک، ترکیبی از فرمیون های ویل هستند؛ بنابراین فرمیون های ویل را می توان بنیادی ترین فرمیون های هستی لقب داد!

کشف فرمیون ویل پس از ۸۵ سال پژوهش

حالا برمی گردیم به بحث اصلی: در مقاله ای که در ژورنال Science منتشر شد، تیمی بین المللی به رهبری دانشگاه پرینستون، موفق شدند فرمیون ویل را مشاهده کنند. ذره ی بدون جرمی که ۸۵ سال پیش، از لحاظ نظری پیش بینی شده بود. این ذره باعث افزایش سرعت و کارآیی وسایل الکترونیک خواهد شد، زیرا می تواند درون یک کریستال به هر دو صورت ماده و پادماده رفتار کند. این ذره جریان تقریباً آزاد و کارآمد الکتریسیته را در وسایل الکترونیکی امکان پذیر می کند و در نتیجه باعث قدرت بیشتر وسایل الکترونیکی و به ویژه کامپیوترها خواهد شد.

از زمان پیش بینی فرمیون ویل در سال ۱۹۲۹، دانشمندان مدت زمان زیادی به دنبال کشف آن بودند، چرا که این ذره به عنوان یکی از بنیادی ترین اجزای سازنده ی سایر ذرات زیر اتمی به شمار می آید. ماهیت بنیادی فرمیون ویل، نسبت به الکترون ها که ذره ی اساسی وسایل الکترونیکی امروزی هستند، انتقال بسیار پایدارتر و کارآمدتری را فراهم می کند. برخلاف الکترون ها، فرمیون های ویل، بدون جرم بوده و تحرک زیادی دارند. اسپین یک فرمیون ویل، هم می تواند در راستای حرکتش باشد و هم در راستای مخالف حرکتش!

فرمیون ویل، یک ذره ی خارق العاده است. نتایج بسیار جالبی می تواند از کشف این ذره بدست آید که ما در حال حاضر نمیتوانیم آنها را تصور کنیم. فرمیون ویل می تواند دوباره تولید شده و به کار گرفته شود. ذراتی مانند بوزون هیگز معمولاً پس از برخوردهای سریع ذرات، تشخیص داده می شوند، اما فرمیون ویل در یک کریستال فلزی سنتزی به نام تانتالم آرسنید، کشف شد. این کریستال توسط محققان دانشگاه پرینستون و با همکاری محققان چین و تایوان طراحی شد.

فرمیون ویل ویژگی هایی دارد که آن را برای وسایل الکترونیکی آینده، کارآمد می کند. یکی از این خصوصیت ها، توسعه ی میدان محاسبات کوانتومی با بهره وری زیاد است. زمانیکه فرمیون های ویل درون کریستال قرار دارند، اغلب به صورت ترکیبی از ذره ی تک قطبی و پادتک قطبی، رفتار می کنند و از این نظر بسیار مورد توجه هستند. این بدان معناست که ذرات ویل که بارهای مغناطیسی مخالفی دارند، می توانند به صورت مستقل از یکدیگر و با تحرک زیادی حرکت کنند. محققان دریافتند به کمک فرمیون های ویل می توان الکترون های بدون جرمی ساخت که بسیار سریع و بدون پراکندگی بازگشتی حرکت کنند. این در حالیست که الکترون ها زمانیکه به مانعی برخورد می کنند، دچار پراکندگی می شوند. این پراکندگی در وسایل الکترونیک، بهره وری را کاهش داده و گرما تولید می کند، اما الکترون های ویل از درون موانع تونل زنی کرده و یا در اطراف موانع حرکت می کنند. یعنی این ذرات، خودشان GPS دارند و می توانند بدون پراش، مسیر خود را پیدا کرده و طی کنند! این الکترون های بسیار سریع می توانند باعث خلق نوع جدیدی از محاسبات کوانتومی شوند.

ذره ای که ویل پیشنهاد داد، فیزیکدانان را تقریباً یک قرن شیفته ی خود کرد. کشف این ذره، یک آزمایش بسیار دشوار و بلندپروازانه بود. در واقع آزمایش های شکار فرمیون ویل از همان روزهای ابتدایی نظریه ی کوانتومی آغاز شده بود، اما حالا پس از ۸۵ سال دانشمندان موفق به کشف آن شدند. مواد ویل، همتایان سه بعدی گرافن هستند که نقش مهمی در آینده ی صنایع الکترونیک خواهند داشت، هرچند برای صحبت از کاربردهای عملی این کشف، هنوز کمی زود است.

منبع: phys.org

برای آگاهی از تازه ترین مقالات دیپ لوک، ایمیل خود را در فیلد زیر وارد کنید: [wysija_form id=”1″]