تولد اتمسفر کوانتومی در فیزیک ماده چگال: جزیره اسرارآمیز شناخت ماده!

دانشمندان کوانتومی ایده‌ی جدیدی مطرح کرده‌اند که امیدوارند بتواند از اسرار عجیب مواد پرده بردارد. دانشمندان این نظریه هیجان‌انگیز را تحت عنوان اتمسفر کوانتومی مطرح کرده‌اند که به فضایی اطراف مواد اتلاق می‌شود که دانشمندان معتقدند حاوی اطلاعاتی ارزشمندی از اسرار درونی مواد است، اسراری که برای ما شناخته شده نیست و دانستن آن‌ها می‌تواند در پیشرفت فیزیک کوانتومی، بسیار موثر باشد. با دیپ‌لوک همراه باشید…

در طول چند سال گذشته ثابت شده که برخی مواد، پایه و اساسی برای فیزیک هستند. این مواد از هیچ چیز خاصی غیر از ذرات عادی مانند پروتون، الکترون و نوترون تشکیل نشده­‌اند، اما فراتر از مجموعه ی ذرات تشکیل دهنده‌­ی خود هستند. این مواد دارای طیف وسیعی از ویژگی ها و پدیده‌­های قابل توجه هستند و حتی حالت جدیدی از ماده را ماورای حالت‌های معمول جامد، مایع و گاز که با آن­ها آشنا هستیم به فیزیک­دانان معرفی می‌­کنند.

گروهی از مواد که فیزیک­‌دانان را بطور ویژه هیجان‌زده می­‌کند، عایق­‌های توپولوژیکی و بطور وسیع‌­تر فازهای توپولوژیکی هستند که بنیان‌­ نظری این مواد جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۶ را برای کاشفانشان به ارمغان آورد. الکترون‌ها در سطح عایق­‌های توپولوژیکی، به راحتی جریان می‌­یابند، در حالیکه درون آنها حرکت نمی‌کنند. بنابراین سطح آنها یک رسانا مانند فلز، اما داخلشان، عایقی مانند سرامیک است. عایق‌­های توپولوژیکی به دلیل فیزیک غیر معمولشان و همچنین به دلیل ظرفیت استفاده از آن­ها در کامپیوترهای کوانتومی و صنایع اسپینترونیک که از اسپین الکترون­ها مانند بار آن­ها بهره می‌­برند، توجه بسیاری را جلب کرده‌­اند. اما این نکته را باید افزود که چنین رفتار عجیبی همیشه قابل مشاهده نیست. فرانک ویلچک، استاد MIT و برنده­‌ی جایزه‌­ی نوبل فیزیک در سال ۲۰۰۴ می‌­گوید:

شما نمی­‌توانید به سادگی و با مشاهده­‌ی ماده به روش­های معمول بگویید که آیا این ماده دارای چنین قابلیت­هایی است یا خیر.

این بدین معنی است که یک مجموعه از مواد به ظاهر معمولی، ممکن است ویژگی­‌های پنهان، در عین حال غیر معمول و احتمالا مفید داشته باشند. در مقاله‌­ای که اخیرا منتشر شده، ویلچک به همراه کینگ-دانگ جیانگ، فیزیک­دانی از استکهلم سوئد، روش جدیدی برای کشف چنین ویژگی­‌هایی پیشنهاد می­‌کنند؛ بدین ترتیب که یک هاله‌­ی نازک را که ماده را احاطه کرده، کاوش می­‌کنند؛ چیزی که آن را اتمسفر کوانتومی نامگذاری کرده‌اند.

بعضی از ویژگی­‌های کوانتومی بنیادی ماده می­‌تواند در این اتمسفر بروز پیدا کنند، بطوری که فیزیک­دانان می‌­توانند آن ویژگی‌ها را اندازه­‌گیری کنند. اگر این پدیده در آزمایشگاه نیز تایید شود، نه تنها یکی از نتایج ماکروسکوپی مکانیک کوانتومی خواهد بود بلکه به گفته ویلچک، می­‌تواند ابزاری برای کشف دسته‌ای از مواد جدید باشد. تیلور هیوز (Taylor Hughes)، نظریه‌پرداز ماده چگال در دانشگاه ایلینوی می‌­گوید:

اگر شما از من پرسیده بودید که آیا چیزی شبیه این، یعنی اتمسفر کوانتومی می‌­تواند اتفاق بیفتد یا نه، من پاسخ می‌­دادم که به نظر ایده­‌ی منطقی می‌­رسد. اما ممکن بود تصور کنم که تاثیر خیلی کوچکی داشته باشد. اما به هر حال بنابر محاسبات جیانگ و ویلچک، قاعدتا تاثیر یک اتمسفر کوانتومی می­‌تواند در محدوده‌­ی قابلیت آشکارسازی خوب باشد.

و همچنین ویلچک اضافه می‌کند که آشکارسازی چنین اثراتی ممکن است زودتر از اینها قابل دستیابی باشد.

محدوده‌ی تاثیر

ویلچک توضیح می‌دهد که یک اتمسفر کوانتومی، یک محدوده‌ی نازک تاثیر اطراف یک ماده است. بر اساس مکانیک کوانتومی، خلا کاملا خالی نیست، بلکه مملو از افت و خیزهای کوانتومی است. برای مثال، اگر دو صفحه‌ی بدون بار را در خلا نزدیک یکدیگر قرار دهید، تنها افت و خیزهای کوانتومی با طول موج کوتاه‌تر از فاصله‌ی بین صفحات می‌تواند بین آن‌ها رد و بدل شود. خارج از فضای بین صفحات بدون بار، افت و خیزها با تمام طول موج‌‌ها می‌توانند وجود داشته باشند. انرژی بیرون از فضای صفحات، بیشتر از انرژی موجود بین آن‌هاست که باعث بوجود آمدن نیرویی می‌شود که صفحات را به هم نزدیک می‌کند. ویلچک می‌گوید:

به این پدیده اثر کازیمیر (Casimir effect) می‌گویند که مشابه تاثیر اتمسفر کوانتومی است.

دقیقا همانطور که وقتی یک صفحه به صفحه‌ی دیگر نزدیک می‌شود، نیروی قوی‌تری را احساس می‌کند، یک حسگر سوزنی نیز می‌تواند اثری از اتمسفر کوانتومی را هنگامی که به یک ماده نزدیک می‌شود حس کند. ویلچک می‌گوید:

اتمسفر کوانتومی مشابه هر اتمسفر دیگری است. شما با نزدیک شدن به آن اثراتش را احساس می‌کنید و ماهیت این اثرات به ویژگی‌های کوانتومی خود ماده بستگی دارد.

آن ویژگی‌ها می‌توانند غیرعادی باشند. برخی مواد مشخص، به گونه‌ای عمل می‌کنند که انگار در جهانی با قوانین فیزیکی خودشان هستند که اخیرا تحت عنوان چند جهانی مواد مطرح می‌شود. پیتر آرمیتیژ (Peter Armitage)، فیزیک‌دان ماده چگال می‌گوید:

یک ایده‌ی بسیار مهم در فیزیک ماده چگال مدرن این است که ما در تسخیر این مواد هستیم. بعنوان نمونه‌ای از این مواد، یک عایق توپولوژیکی را فرض کنید که مجموعه قوانین مختلفی داخل خود دارد.

برخی مواد مانند تک قطبی‌های مغناطیسی (آهن‌ربای نقطه مانندی که یک قطب شمال دارد اما قطب جنوب ندارد) عمل می‌کنند. دانشمندان همچنین شبه ذراتی را با بارهای الکتریکی کسری و شبه‌ذراتی که مانند پاد ماده‌ی خود عمل می‌کنند و توانایی از بین بردن خودشان را دارند، کشف کرده‌اند. اگر ویژگی‌های عجیب مشابه در مواد دیگر نیز وجود داشته باشد، می‌توانند خود را در اتمسفر کوانتومی نشان دهند. بنابر ادعای ویلچک، اصولا شما می‌توانید تمام انواع ویژگی‌های جدید را با بررسی اتمسفر کوانتومی مواد کشف کنید.

جیانگ و ویلچک برای اینکه ایده‌ی خود را ثابت کنند، بر روی مجموعه‌ای از قوانین غیر معمول که الکترودینامیک اکسیون (axion electrodynamics) نامیده می‌شود که می‌توانست به ویژگی‌های منحصر بفردی ختم شود، تمرکز کردند. ویلچک در سال ۱۹۸۷ با یک نظریه شروع کرد تا توضیح دهد چگونه یک ذره فرضی که اکسیون نامیده می‌شد با الکتریسیته و مغناطیس برهمکنش خواهد داشت (فیزیک‌دانان قبلا اکسیون را بعنوان راه‌حلی برای یکی از بزرگ‌ترین سوال‌های حل نشده‌ی فیزیک پیشنهاد داده بودند. سوال این بود که چرا برهمکنش‌های نیروهای قوی حتی زمانی که ذرات با پادذره‌ی خود جایگزین و در یک آینه منعکس شوند، یکسان هستند که به این حالت تقارن بار و پاریته گفته می‌شود). حتی با وجود اینکه اخیرا فیزیک‌دانان شواهد جدیدی را جمع‌آوری کرده‌اند که این مواد کاندیدی برای ماده تاریک هستند، تا امروز هیچ کس هیچ مدرکی پیدا نکرده است که اکسیون‌ها وجود دارند. با وجود اینکه به نظر می‌رسد این قواعد در قسمت عمده‌ی جهان معتبر نباشند، این نتیجه حاصل شده که آن قواعد می‌توانند در داخل ماده استفاده شوند، مانند عایق‌های توپولوژیکی. ویلچک می‌گوید:

نحوه‌ی برهمکنش میدان‌های مغناطیسی با موادی که عایق‌های توپولوژیکی نامیده می‌شوند، اساسا به همان شکلی است که با دسته‌ای از اکسیون‌ها برهمکنش دارند.

نقص‌های الماس

اگر ماده‌ای مانند یک عایق توپولوژیکی از الکترودینامیک اکسیون پیروی کند، اتمسفر کوانتومی آن می‌تواند تاثیر پنهانی بر روی هر چیزی که وارد اتمسفر کوانتومی می‌شود ایجاد کند. جیانگ و ویلچک محاسبه کرده‌اند که چنین تاثیری مشابه تاثیری خواهد بود که از میدان مغناطیسی می‌پذیرد. بطور مشخص، آن‌ها متوجه شدند که اگر شما سیستمی از اتم‌ها یا مولکول‌ها را در آن اتمسفر کوانتومی قرار دهید، سطوح انرژی کوانتومی آن‌ها تغییر خواهد کرد. سپس یک محقق می‌تواند این سطوح انرژی اصلاح شده را با استفاده از تکنیک‌های استاندارد آزمایشگاهی اندازه بگیرد که به گفته‌ی آرمیتیژ، یک ایده‌ی غیر معمول ولی کاملا جذاب است.

یک حسگر از جنس الماس که با مراکز نیتروژن-خالی (nitrogrn-vacancy centers) اشباع شده باشد، نمونه‌ای از این نوع سیستم است. یک مرکز NV نوعی نقص در ساختار بلوری الماس است که برخی از اتم‌های کربن الماس با اتم‌های نیتروژن جایگزین شده و محل همسایگی نیتروژن نیز خالی باشد. تراز کوانتومی این سیستم بسیار حساس است که به مراکز NV این اجازه را می‌دهد که حتی در میدان‌های مغناطیسی بسیار ضعیف نیز خود را بالا بکشند. این ویژگی آن‌ها را به حسگرهای قوی تبدیل می‌کند که می‌توانند در زمینه‌های بسیاری مانند زمین‌شناسی و زیست‌شناسی به کار روند. هاگز می‌گوید:

این یک شاهد خوب برای قاعده‌ای کلی است. یک کاربرد می‌تواند نمایانگر ویژگی‌های ماده باشد. با عبور دادن یک مرکز NV در عرض یک ماده مانند عایق توپولوژیکی، می‌توان تغییرات ویژگی‌های ماده را در سطح آن مشاهده کرد.

مقاله‌ی جیانگ و ویلچک که به مجله‌ی Physical Review Letters ارسال کرده‌اند، تنها تاثیر اتمسفر کوانتومی ناشی از الکترودینامیک اکسیون را واکاوی می‌کند. ویلچک می‌گوید:

برای مشخص کردن اینکه چگونه انواع دیگر ویژگی‌های ماده بر روی اتمسفر کوانتومی اثر می‌گذارد، باید محاسبات متفاوتی را انجام دهید.

شکستن تقارن‌ها

در اصل، ویژگی‌هایی که اتمسفر کوانتومی از آن‌ها پرده برمیدارد تقارن‌ها هستند. حالت‌های مختلف ماده و ویژگی‌های منحصر بفرد هر حالت، می‌توانند بر اساس تقارن فرض شوند. برای مثال در یک بلور جامد، اتم‌ها در یک شبکه‌ی متقارن مرتب شده‌اند که با انتقال یا چرخش، یک الگوی مشخص بلوری را شکل می‌دهند. با این وجود، زمانی که بلور را حرارت می‌دهید، پیوندها می‌شکند، ساختار شبکه فرو می‌ریزد و ماده که دیگر حالا به یک مایع با ویژگی‌های متفاوت تبدیل شده، تقارن خود را از دست می‌دهد.

مواد می‌توانند تقارن‌های بنیادی دیگری را نیز بشکنند. برای مثال تقارن معکوس زمان را که اکثر قوانین فیزیک از آن تبعیت می‌کنند را می‌تواند بشکند. یا اینکه می‌تواند پدیده‌ی متفاوتی رخ بدهد. مثلا به بلور در آیینه نگاه کنید که یک اخلال در تقارن پاریته است. زمانی که این تقارن‌ها در یک ماده شکسته می‌شوند، می‌توانند انتقال فازهای ناشناخته‌ی گذشته و ویژگی‌های عجیب بالقوه را نیز مشخص کنند. ویلچک می‌گوید:

یک ماده با تقارن‌های شکسته شده‌ی مشخص می‌تواند اختلالات یکسانی را در یک حسگر که داخل اتمسفر کوانتومی آن ماده است، ایجاد کند. برای مثال، در یک ماده که از الکترودینامیک اکسیون تبعیت می‌کند، یکی از تقارن‌های زمان و یا پاریته شکسته است اما ترکیب هر دو امکان‌پذیر نیست. با بررسی اتمسفر کوانتومی یک ماده، می‌توانید تشخیص دهید که آیا این ماده از این الگوهای شکست تقارن پیروی می‌کند یا نه و چیزهای دیگری نیز متوجه شوید و بر این اساس بفهمید که آن ماده چه ویژگی‌های عجیب دیگری ممکن است داشته باشد. برخی مواد بصورت مخفی تقارن‌هایی را شکسته‌اند که ما نه چیزی راجع به آن‌ها می‌دانیم و نه انتظارشان را داریم. آن‌ها خیلی بی‌گناه به نظر می‌رسند اما به طریقی پنهان شده‌اند!

ویلچک همچنین از صحبت‌هایش با پژوهشگرانی می‌گوید که مایل به بررسی عملی این ایده هستند. او اضافه می‌کند که آزمایش باید به آسانی امکان‌پذیر باشد و خوشبختانه نه در طول سال‌ها که تنها در هفته‌ها و ماه‌های آتی باید نتیجه بدهد. اگر همه چیز درست کار کند، عبارت اتمسفر کوانتومی یک مکان ابدی در واژه‌نامه‌ی فیزیک پیدا خواهد کرد. ویلچک در گذشته نیز واژه‌هایی را مانند اکسیون، انیون‌ها (شبه‌ذراتی که برای محاسبات کوانتومی مفید خواهند بود)، و بلورهای زمانی (ساختارهایی که بدون مصرف انرژی در الگوهای منظم و تکرار شونده حرکت می‌کنند) ابداع کرده است. آرمیتیژ می‌گوید که ویلچک سابقه‌ی خوبی در بوجود آوردن اسامی و برچسب‌ها دارد که اتمسفر کوانتومی نیز یک اسم خوب دیگر است!