فراکتال کوانتومی الکترون‌ها: زندگی عجیبی در ۱.۵۸ بُعد!

فراکتال‌ها دنیایی از رازهای شگفت‌انگیزند. الگوهای ساختاری عجیب و غریبی که تقارن و غنای زیبایی‌شناختی آنها الهام‌بخش بسیاری از هنرها بوده است (از جمله طراحی‌های زیبای مساجد دوره اسلامی). اما بیشتر از هنر، آنها در بسیاری از علوم مورد توجه‌اند: از ریاضیاتی که نحوه پیدایش آنها را توصیف می‌کند تا علوم زیستی که شباهت عمیقی بین ساختارهایش با فراکتال‌ها وجود دارد. این بار پای فراکتال به دنیای کوانتومی باز شده: دانشمندان موفق شده‌اند یک فراکتال کوانتومی به کمک الکترون‌ها بسازند که به نظر می‌رسد رازهای جالبی در مورد الکترون‌ها فاش کند. نتیجه‌ی این پژوهش به تازگی در مجله معتبر نیچر فیزیکس منتشر شده است. با دیپ لوک همراه باشید…

فراکتال‌ها، الگوهایی هستند که خودشان را در ابعاد مختلف تکرار می‌کنند: اگر  روی یک فراکتال، بزرگنمایی کنید، ساختارش درست همانطور که از دور مشاهده می‌کردید خواهد بود. فراکتال‌ها در طبیعت به وفور دیده می‌شوند؛ مثلا هسته‌ی مرکزی گل گلم، نسحه‌ی مینیاتوری کل آن به نظر می‌رسد یا یک جرقه‌ رعد و برق به شاخه‌هایی مانند شاخه‌ی اصلی شکافته می‌شود.

فراکتال ها در قلمروی کوانتومی، به این راحتی دیده نمی‌شوند، اما اخیرا دانشمندان با قرار دادن ملکول‌های کربن مونوکسید روی یک سطح مس، به طور مصنوعی یک فراکتال کوانتومی ساخته‌اند. الکترون‌های محصور شده بین این ملکول‌ها، یک الگوی فراکتالی به صورت مثلث‌هایی درون مثلث‌های دیگر می‌سازند که مثلث سرپینسکی (Sierpinski triangle) نامیده می‌شود. یک مثلث سرپینسکی کامل، شامل بی‌نهایت مثلث خواهد بود، بنابراین دانشمندان با تعداد کافی مثلث که ساختار تکرارشونده‌اش را آشکار کنند، یک مثلث سرپینسکی تقریبی ساختند.

الکترون‌های سازنده‌ی این فراکتال کوانتومی در یک فضای سه بعدی زندگی نمی‌‌کنند. آنها در یک جهان دو بعدی مسطح یا یک خط یک بعدی هم وجود ندارند. بلکه فضای زندگی آنها چیزی اینهاست: ابعادی به تعداد فراکتال‌ها. دانشمندان در این مورد خاص دریافتند که الکترون‌ها در ابعادی که برای یک مثلث سرپینسکی انتظار می‌رود زندگی می‌کنند، یعنی ۱.۵۸ !

ذرات کوانتومی وقتی به یک یا دو بعد محصور یا مقید می‌شوند، رفتارهای عجیب از خود نشان می‌دهند. دانشمندان هنوز نمی‌دانند الکترون‌ها در فضای فراکتالی چگونه رفتار خواهند کرد. آنها معتقدند پیامدهای این پژوهش آنان در حوزه‌ای عجیب و کاملا ناشناخته قرار دارد!