شواهد تجربی جدیدی درباره‌ی رفتار جمعی الکترون ها برای تشکیل شبه ذراتی که انیون (Anyon) نام دارند گزارش شده است. انیون ها دارای مشخصه‌هایی هستند که در سایر ذرات زیراتمی دیده نشده است؛ از جمله بار کسری و آمارهای کسری که با ایجاد تغییرات فاز کوانتومی، حافظه برهمکنش‌های خود را با سایر شبه ذرات حفظ می‌کنند. نتایج پژوهش جالب و جدیدی که در مجله Nature Physics منتشر شده، می‌هواند به توسعه فیزیک شبه ذرات و توسعه کامپیوترهای کوانتومی توپولوژیکی کمک کند. با دیپ لوک همراه باشید…
فرانک ویلچک، فیزیکدان نظری برنده جایزه نوبل و استاد فیزیک در MIT، علت نامگذاری این شبه ذره را به نام انیون، رفتار عجیب و غریب آن عنوان می‌کند. آن‌ها بر خلاف سایر ذرات می‌توانند هنگام تبادل موقعیتشان، هر فاز کوانتومی را اتخاذ کنند.
پیش از شواهد روزافزون وجود انیون در سال ۲۰۲۰، فیزیکدانان ذرات شناخته شده را به دو گروه فرمیون و بوزون دسته بندی کرده بودند. الکترون ها نمونه ای از فرمیون ها بوده و فوتون ها که نور و امواج رادیویی را تشکیل می‌دهند، بوزون هستند. یک تفاوت مشخص بین فرمیون ها و بوزون ها، نحوه عملکرد این ذرات هنگام حلقه زدن آن‌ها در اطراف یکدیگر است. هم فرمیون ها و هم بوزون ها، به روشی مورد انتظار و واضح عمل می‌کنند؛ این در حالی است که انیون ها به گونه ای پاسخ می‌دهند که گویی دارای بار کسری هستند و حتی جالب‌تر اینکه هنگام حلقه زدن دور یکدیگر، تغییر فاز غیرمعمولی دارند. این پدیده می‌تواند نوعی حافظه از برهمکنش انیون را به وجود آورد.
مایکل مانفرا، استاد برجسته فیزیک و نجوم در این‌باره می‌گوید:
انیون‌ها فقط به عنوان برانگیختگی‌های جمعی الکترون‌ها در شرایط خاص وجود دارند، اما آن‌ها دارای ویژگی‌های جالبی مانند بار کسری و آمارهای کسری هستند، این موضوع جالب است، چرا که شما با خود فکر می‌کنید آن‌ها چگونه می‌توانند بار کمتری نسبت به بار بنیادی یک الکترون داشته باشند، اما آن‌ها واقعا چنین‌اند! زمانی که بوزون ها یا فرمیون ها مبادله می‌شوند، یک عامل فاز به ترتیب مثبت یک یا منفی یک ایجاد می‌کنند. در مورد انیون ها، فاز تولید شده 3 / 2π بوده و با آنچه قبلاً در طبیعت دیده شده، متفاوت است.
جیمز ناکامورا (James Nakamura) یکی از اعضای گروه می‌گوید:
انیون ها این رفتار را فقط به عنوان جمعیت‌های جمعی الکترون‌ها (موقعیتی که بسیاری از الکترون ها تحت شرایط بسیار حدی و خاص، مانند یک تک‌‌الکترون رفتار می‌کنند) نشان می‌دهند، بنابراین تصور بر این است که نمی‌توان آن‌ها را به صورت جداگانه در طبیعت یافت. ما به طور معمول در دنیای فیزیک، درباره‌ی ذرات بنیادی مانند پروتون ها و الکترون ها و همه موارد تشکیل دهنده جدول تناوبی فکر می‌کنیم، اما گروه ما وجود شبه ذرات را بررسی می‌کند که از دل دریایی از الکترون هایی که در شرایط خاصی قرار گرفته‌اند، ظهور می‌کنند.
از آنجا که این رفتار به تعداد دفعات حلقه زدن ذرات به دور یکدیگر بستگی دارد، خواص آن‌ها نسبت به سایر ذرات کوانتومی، از مقاومت بیشتری برخوردار است. گفته می‌شود این ویژگی توپولوژیک است؛ زیرا به هندسه سیستم بستگی دارد و در نهایت ممکن است به ساختارهای پیچیده تری از انیون ها منجر شود که می‌توانند برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی پایدار و توپولوژیکی مورد استفاده قرار گیرند.
این گروه تحقیقاتی توانست این رفتار را با مسیریابی الکترون ها از طریق یک نانو ساختار پر پیچ و خم ساخته شده از گالیم آرسنید (gallium arsenide) و آلومینیوم گالیم آرسناید (aluminum gallium arsenide) ثابت کند. این دستگاه که یک تداخل سنج نامیده می‌شود، الکترون ها را محدود به حرکت در یک مسیر دو بعدی می‌کند. دستگاه تا حدود یک صدم یک درجه صفر مطلق (۱۰ میلی کلوین) خنک شده و تحت یک میدان مغناطیسی قدرتمند ۹ تسلایی قرار گرفت. مقاومت الکتریکی تداخل سنج، الگوی تداخلی ایجاد کرد که محققان آن را «طرح پیژامه» (pyjama plot) خواندند. جهش‌ها در الگوی تداخلی، نشان‌دهنده‌ی حضور انیون بودند.
چتان نایاک (Chetan Nayak)، فیزیکدان نظری در دانشگاه کالیفرنیا می‌گوید:
این قطعا یکی از کارهای بغرنج و پیچیده ای است که باید در فیزیک تجربی انجام شود.
ناکامورا می‌گوید:
امکانات موجود در دانشگاه پردو (purdue university) زمینه را برای این کشف فراهم کرد. ما از فناوری رشد نیمه رسانای آرسنید گالیوم برخوردار هستیم که برای تحقق سیستم الکترون ما مورد نیاز است؛ همچنین در مرکز فناوری نانو، دارای امکانات ساخت نانو برای ساختن تداخل سنجی هستیم که در آزمایشات خود استفاده کردیم. ما در دانشکده فیزیک، توانایی اندازه گیری دماهای مافوق کم و ایجاد میدان های مغناطیسی قوی را نیز داریم؛ بنابراین ما تمام مولفه های لازم که به ما امکان این کشف را در اینجا داد، داریم و این یک نکته عالی در مورد پژوهش در اینجا و در نهایت دست‌یابی به چنین پیشرفتی است.
مانفرا در پایان گفت:
گام بعدی در حوزه‌ی شبه ذرات، ساخت تداخل سنج های پیچیده‌تر است. در این تداخل سنج های جدید، ما توانایی کنترل موقعیت و تعداد شبه ذرات در محفظه را خواهیم داشت و در نهایت قادر خواهیم بود تعداد شبه ذرات داخل تداخل سنج را در طبق نیازمان تغییر دهیم و الگوی تداخل را به دلخواه عوض کنیم.
