کشف شگفت‌انگیز فیزیک‌دانان؛ ابرجامد برای نخستین بار بدون سرمای شدید در دمای اتاق ساخته شد
کشف شگفت‌انگیز فیزیک‌دانان؛ ابرجامد برای نخستین بار بدون سرمای شدید در دمای اتاق ساخته شد
فیزیک‌دانان موفق شده‌اند یکی از عجیب‌ترین حالت‌های شناخته‌شده ماده را بدون استفاده از تجهیزات سرمایشی پیچیده و دماهای نزدیک به صفر مطلق ایجاد کنند. این حالت که ابرجامد نام دارد، ویژگی‌هایی از دو وضعیت ظاهراً متضاد را در خود جمع می‌کند: از یک طرف ساختاری منظم و بلورمانند دارد و از طرف دیگر می‌تواند رفتاری شبیه به مایعات بدون گران‌روی نشان دهد. نکته مهم در آزمایش تازه این است که پژوهشگران توانسته‌اند این وضعیت کوانتومی را با کمک نور و مواد نیمه‌رسانا، حتی در دماهای نزدیک به ۶۰ درجه سانتی‌گراد مشاهده کنند.
در نگاه معمول، ماده را در سه گروه اصلی جامد، مایع و گاز دسته‌بندی می‌کنیم. یخ، آب و بخار نمونه‌های آشنای این سه حالت هستند و بیشتر تجربه‌های روزمره ما نیز با همین وضعیت‌ها سروکار دارند. بااین‌حال، فیزیک مدرن نشان داده است که رفتار ماده به این سه حالت محدود نمی‌شود. در شرایط خاص، ذرات می‌توانند به شکل‌هایی سازمان پیدا کنند که در زندگی روزمره کمتر با آن‌ها مواجه می‌شویم و ویژگی‌هایی کاملاً متفاوت از مواد معمولی بروز دهند.
یکی از این وضعیت‌های غیرمعمول، ابرجامد یا Supersolid است. این حالت از دهه‌ها پیش در نظریه‌های فیزیکی مورد توجه قرار داشت و دانشمندان برای ایجاد و مطالعه آن تلاش کرده‌اند. ابرجامد از نظر ساختار، نظمی شبیه بلورهای جامد دارد؛ اما در سطح کوانتومی می‌تواند ویژگی‌هایی از ابرشارگی را نیز نشان دهد. ترکیب این دو رفتار، آن را به یکی از جالب‌ترین نمونه‌های حالت‌های کوانتومی ماده تبدیل کرده است.
به گزارش ساینس‌آلرت، گروهی بین‌المللی از پژوهشگران با استفاده از ترکیب نور، کریستال مایع و یک نیمه‌رسانای آلی، سامانه‌ای ساخته‌اند که نشانه‌های ابرجامد را از خود نشان می‌دهد. برخلاف بسیاری از آزمایش‌های پیشین درباره حالت‌های کوانتومی غیرمعمول، این سامانه برای فعالیت به سرمای شدید نیاز ندارد و می‌تواند در دمای اتاق و حتی دماهای بالاتر نیز کار کند.
اهمیت این دستاورد فقط به ساخت یک حالت عجیب از ماده محدود نمی‌شود. بسیاری از پدیده‌های کوانتومی برای مشاهده به شرایط آزمایشگاهی دشوار و تجهیزات گران‌قیمت نیاز دارند. اگر بتوان چنین رفتارهایی را در دماهای معمولی ایجاد و کنترل کرد، مسیر مطالعه آن‌ها ساده‌تر می‌شود و امکان بررسی کاربردهای احتمالی در فناوری‌های آینده افزایش پیدا می‌کند. البته سامانه تازه هنوز محدودیت‌هایی دارد و برای تبدیل‌شدن به بستری کاربردی، باید از نظر پایداری و مدت‌زمان عملکرد بهبود پیدا کند.
ابرجامد چیست و چرا فیزیک‌دانان به آن علاقه دارند؟
برای فهم بهتر آزمایش جدید، ابتدا باید با مفهوم ابرشاره آشنا شویم. ابرشاره نوعی حالت غیرمعمول ماده است که می‌تواند بدون گران‌روی جریان پیدا کند. در مایعات معمولی، گران‌روی نوعی مقاومت داخلی در برابر جریان ایجاد می‌کند. برای مثال، عسل به دلیل گران‌روی بیشتر نسبت به آب، آهسته‌تر حرکت می‌کند. اما در یک ابرشاره، رفتار جریان با آنچه در مایعات روزمره می‌بینیم تفاوت دارد و ماده می‌تواند بدون مقاومت گران‌روی معمول جریان داشته باشد.
ابرشارگی از پدیده‌های کوانتومی محسوب می‌شود و در شرایط خاصی ظاهر می‌شود که ذرات رفتار هماهنگ و جمعی پیدا می‌کنند. در چنین وضعیتی، دیگر نمی‌توان رفتار هر ذره را کاملاً مستقل از ذرات دیگر بررسی کرد؛ بلکه مجموعه‌ای از ذرات می‌توانند مانند یک سامانه کوانتومی هماهنگ عمل کنند.
ابرجامد ویژگی دیگری را نیز به این رفتار اضافه می‌کند. در یک جامد معمولی، ذرات در موقعیت‌هایی نسبتاً منظم و تکرارشونده قرار می‌گیرند و ساختاری بلورمانند می‌سازند. در ابرجامد نیز نوعی نظم فضایی وجود دارد؛ اما در کنار این نظم، نشانه‌هایی از رفتار ابرشاره‌ای مشاهده می‌شود. به زبان ساده، ابرجامد از نظر آرایش ذرات به جامد شباهت دارد و از نظر برخی ویژگی‌های جریان، رفتار یک ابرشاره را نشان می‌دهد.
این ترکیب در نگاه نخست عجیب به نظر می‌رسد؛ زیرا معمولاً جامد را حالتی می‌دانیم که در آن ذرات در جایگاه‌های مشخصی قرار دارند و مایع را ماده‌ای با قابلیت جریان‌یافتن در نظر می‌گیریم. اما در دنیای کوانتوم، این دسته‌بندی‌های روزمره همیشه برای توصیف رفتار ماده کافی نیستند. ابرجامد نمونه‌ای از وضعیتی است که در آن نظم ساختاری و رفتار کوانتومی ویژه می‌توانند هم‌زمان در یک سامانه وجود داشته باشند.
شناخت چنین حالت‌هایی به فیزیک‌دانان کمک می‌کند مرزهای درک خود از ماده را گسترش دهند. مطالعه ابرجامدها همچنین می‌تواند اطلاعات ارزشمندی درباره برهم‌کنش میان ذرات، شکل‌گیری نظم کوانتومی و رفتار جمعی سامانه‌های پیچیده در اختیار دانشمندان قرار دهد.
چرا ساخت ابرجامد معمولاً به دمای بسیار پایین نیاز دارد؟
یکی از دشواری‌های اصلی مطالعه حالت‌های عجیب کوانتومی این است که بسیاری از رفتارهای موردنظر تنها در شرایط خاص آشکار می‌شوند. در بسیاری از سامانه‌ها، برای مشاهده اثرهای کوانتومی باید انرژی حرارتی ذرات کاهش پیدا کند. به همین دلیل، دانشمندان معمولاً از تجهیزات سرمایشی پیشرفته استفاده می‌کنند تا دمای نمونه‌ها را به مقادیر بسیار پایین برسانند.
در دماهای معمولی، حرکت حرارتی ذرات می‌تواند نظم و هماهنگی لازم برای شکل‌گیری برخی حالت‌های کوانتومی را مختل کند. هرچه دما بالاتر باشد، اثر حرکت حرارتی نیز می‌تواند بیشتر شود و مشاهده رفتارهای ظریف کوانتومی دشوارتر خواهد بود. به همین علت، آزمایش‌هایی که به چگالش‌های کوانتومی یا حالت‌های مشابه وابسته هستند، اغلب به شرایط سرمایشی ویژه نیاز دارند.
این وابستگی محدودیت‌های مهمی ایجاد می‌کند. تجهیزات لازم برای رسیدن به دماهای بسیار پایین معمولاً پیچیده و گران‌قیمت هستند و استفاده از آن‌ها به آزمایشگاه‌های تخصصی نیاز دارد. علاوه‌بر هزینه، نگهداری نمونه در شرایط موردنظر و انجام اندازه‌گیری‌های دقیق نیز می‌تواند دشوار باشد.
پژوهش تازه تلاش می‌کند مسیر متفاوتی را دنبال کند. محققان به‌جای تکیه بر سرمای شدید، از سامانه‌ای متشکل از نور و ماده استفاده کردند که امکان ایجاد رفتارهای کوانتومی موردنظر را در دمای معمولی فراهم می‌کند. این رویکرد نشان می‌دهد برای بررسی برخی ویژگی‌های کوانتومی، می‌توان از ساختارهای مهندسی‌شده و برهم‌کنش نور و ماده نیز کمک گرفت.
البته این دستاورد به معنای آن نیست که تمام حالت‌های کوانتومی را می‌توان بدون سرمایش ایجاد کرد. نتیجه پژوهش به سامانه خاصی مربوط می‌شود که در آزمایش مورد استفاده قرار گرفته است. بااین‌حال، موفقیت آن می‌تواند راهی تازه برای مطالعه برخی پدیده‌های کوانتومی در شرایطی در دسترس‌تر فراهم کند.
دانشمندان چگونه در آزمایشگاه ابرجامد ایجاد کردند؟
پژوهشگران برای ساخت این سامانه از ساختاری بسیار کوچک به نام «ریزحفره» استفاده کردند. ریزحفره‌ها ساختارهایی هستند که می‌توانند نور را در فضای محدودی محصور کنند و امکان برهم‌کنش مؤثرتر نور با مواد اطراف را فراهم آورند. این ویژگی برای آزمایش‌هایی که بر تعامل میان نور و ماده تکیه دارند اهمیت زیادی دارد؛ زیرا نور می‌تواند مدت بیشتری در محیط موردنظر باقی بماند و فرصت بیشتری برای تأثیرگذاری بر اجزای سامانه داشته باشد.
ساختار مورد استفاده در این پژوهش از دو بخش اصلی تشکیل شده بود. بخش نخست، کریستال مایعی بود که ویژگی‌های آن را می‌شد با تغییر ولتاژ کنترل کرد. کریستال‌های مایع موادی هستند که از نظر برخی ویژگی‌ها میان مایع و جامد قرار می‌گیرند و آرایش مولکولی آن‌ها می‌تواند تحت تأثیر عوامل بیرونی تغییر کند. امکان کنترل الکتریکی این بخش به پژوهشگران اجازه می‌داد شرایط سامانه را با دقت بیشتری تنظیم کنند.
بخش دوم، یک نیمه‌رسانای آلی بود که توانایی برهم‌کنش قابل‌توجهی با نور داشت. نیمه‌رساناها موادی هستند که ویژگی‌های الکتریکی آن‌ها میان رساناها و عایق‌ها قرار می‌گیرد. نوع آلی این مواد نیز در ساختارهای نوری و الکترونیکی کاربرد دارد و می‌تواند در شرایط مناسب با نور برهم‌کنش کند. ترکیب این ماده با کریستال مایع، بستری فراهم کرد تا پژوهشگران بتوانند رفتار موردنظر را در ریزحفره بررسی کنند.
پس از آماده‌سازی ساختار، محققان پالس‌های لیزری را به آن تاباندند. این پالس‌ها انرژی لازم را وارد سامانه کردند و شرایطی به وجود آوردند که نور و ماده با یکدیگر تعامل داشته باشند. در نتیجه این برهم‌کنش، شبه‌ذراتی به نام «اکسیتون-پولاریتون» شکل گرفتند. این شبه‌ذرات از ترکیب ویژگی‌های نور و ماده به وجود می‌آیند و می‌توانند رفتارهایی داشته باشند که در مطالعه سامانه‌های کوانتومی اهمیت زیادی دارد.
اکسیتون-پولاریتون‌ها را نمی‌توان دقیقاً مانند ذرات بنیادی مستقل در نظر گرفت؛ بلکه آن‌ها برآمده از برهم‌کنش میان نور و برانگیختگی‌های ماده هستند. همین ماهیت ترکیبی به پژوهشگران امکان می‌دهد برخی ویژگی‌های نور و ماده را در یک سامانه واحد بررسی کنند. از طرف دیگر، برهم‌کنش میان این شبه‌ذرات می‌تواند شرایط لازم برای شکل‌گیری رفتارهای جمعی و کوانتومی را فراهم کند.
نقش چگالش بوز-اینشتین در شکل‌گیری حالت جدید
یکی از مراحل مهم آزمایش، ایجاد شرایطی بود که تعداد زیادی از اکسیتون-پولاریتون‌ها بتوانند رفتار کوانتومی هماهنگی از خود نشان دهند. چنین وضعیتی با مفهوم «چگالش بوز-اینشتین» ارتباط دارد. چگالش بوز-اینشتین حالتی است که در آن تعداد زیادی از ذرات بوزونی در یک وضعیت کوانتومی مشترک قرار می‌گیرند و رفتار آن‌ها به شکل جمعی قابل توصیف می‌شود.
در شرایط عادی، ذرات یک سامانه ممکن است رفتارهای متفاوتی داشته باشند و هرکدام وضعیت کوانتومی جداگانه‌ای را تجربه کنند. اما هنگام شکل‌گیری چگالش بوز-اینشتین، تعداد زیادی از ذرات به وضعیتی مشترک وارد می‌شوند. در این شرایط، ویژگی‌های کوانتومی آن‌ها می‌تواند در مقیاس جمعی آشکار شود و پدیده‌هایی به وجود آورد که با رفتار ماده معمولی تفاوت دارند.
در آزمایش جدید، پالس‌های لیزری شرایط لازم را برای شکل‌گیری چنین وضعیتی در اکسیتون-پولاریتون‌ها فراهم کردند. سپس پژوهشگران مشاهده کردند که چگالش ایجادشده، به‌جای آنکه کاملاً یکنواخت باقی بماند، ساختاری منظم و راه‌راه پیدا می‌کند. این الگوی فضایی اهمیت زیادی داشت؛ زیرا یکی از نشانه‌های مورد انتظار برای شناسایی رفتار ابرجامد، وجود نوعی نظم ساختاری در کنار ویژگی‌های ابرشارگی است.
به بیان دیگر، پژوهشگران فقط به مشاهده یک چگالش کوانتومی بسنده نکردند. آن‌ها به دنبال شواهدی بودند که نشان دهد سامانه علاوه‌بر رفتار جمعی کوانتومی، آرایشی منظم و تکرارشونده نیز دارد. شکل‌گیری نوارهای منظم یکی از نشانه‌هایی بود که به این برداشت کمک کرد.
نوارهای منظم چه چیزی درباره ابرجامد نشان دادند؟
یکی از مهم‌ترین مشاهدات آزمایش، تشکیل الگوهای راه‌راه در ساختار کوانتومی بود. این نوارها نشان می‌دادند چگالش اکسیتون-پولاریتون‌ها در فضا کاملاً یکنواخت نیست و نوعی نظم دوره‌ای در آن شکل گرفته است. چنین نظمی به ویژگی بلورمانند ابرجامد شباهت دارد و می‌تواند نشانه‌ای از سازمان‌یافتگی ویژه ذرات در سامانه باشد.
اما مشاهده نوارها به‌تنهایی برای اثبات شکل‌گیری ابرجامد کافی نبود. پژوهشگران باید اطمینان پیدا می‌کردند که این الگوها صرفاً نتیجه شکل هندسی تجهیزات یا نقص‌های ساختاری نمونه نیستند. اگر نوارها به دلیل ویژگی‌های ثابت دستگاه ایجاد شده بودند، نمی‌شد آن‌ها را نشانه‌ای از انتخاب طبیعی یک آرایش کوانتومی دانست.
برای بررسی این موضوع، دانشمندان آزمایش را با پالس‌های لیزری متعدد تکرار کردند. آن‌ها متوجه شدند که با هر بار تابش پالس، حالت کوانتومی دوباره شکل می‌گیرد؛ اما موقعیت نوارهای ایجادشده در هر بار آزمایش اندکی تغییر می‌کند. این تفاوت کوچک در جایگاه الگوها، سرنخ مهمی درباره ماهیت پدیده در اختیار پژوهشگران گذاشت.
اگر موقعیت نوارها فقط به ساختار ثابت تجهیزات وابسته بود، انتظار می‌رفت در تکرار آزمایش همان آرایش قبلی مشاهده شود. اما تغییر موقعیت آن‌ها نشان داد که سامانه در هر بار شکل‌گیری، می‌تواند از میان چند آرایش ممکن یکی را انتخاب کند. این رفتار با پدیده‌ای شناخته‌شده در فیزیک به نام «شکست خودبه‌خودی تقارن» ارتباط دارد.
شکست خودبه‌خودی تقارن چیست؟
شکست خودبه‌خودی تقارن زمانی رخ می‌دهد که قوانین حاکم بر یک سامانه، چند وضعیت هم‌ارزش را مجاز بدانند؛ اما سامانه در عمل یکی از آن وضعیت‌ها را انتخاب کند. در چنین شرایطی، ممکن است قوانین پایه میان گزینه‌های مختلف تفاوتی قائل نباشند، ولی نتیجه نهایی آزمایش فقط یکی از آن حالت‌ها را نشان دهد.
برای درک ساده‌تر این مفهوم می‌توان سامانه‌ای را تصور کرد که چند جهت‌گیری مختلف برای شکل‌گیری یک الگو در اختیار دارد. از نظر قوانین فیزیکی، هیچ‌یک از این جهت‌گیری‌ها بر دیگری برتری ندارد؛ اما هنگام شکل‌گیری ساختار، سامانه یکی را انتخاب می‌کند. اگر آزمایش دوباره انجام شود، ممکن است جهت‌گیری دیگری انتخاب شود، بی‌آنکه قوانین اصلی تغییر کرده باشند.
در آزمایش ابرجامد، تغییر جزئی موقعیت نوارها از این نظر اهمیت داشت که نشان می‌داد الگوی نهایی به‌طور کامل از پیش توسط تجهیزات تعیین نشده است. در عوض، سامانه کوانتومی می‌تواند در هر بار ایجادشدن، آرایش خاصی را به‌صورت خودبه‌خودی برگزیند. این رفتار با انتظار فیزیک‌دانان از یک ساختار دارای شکست خودبه‌خودی تقارن سازگار بود.
این مشاهده در کنار نظم فضایی نوارها، شواهد بیشتری برای تفسیر حالت ایجادشده به‌عنوان ابرجامد فراهم کرد. پژوهشگران با بررسی رفتار سامانه در تکرارهای مختلف توانستند احتمال اینکه الگوها صرفاً حاصل محدودیت‌های فنی دستگاه باشند، کاهش دهند.
گردابه‌ها؛ نشانه دیگری از رفتار ابرشاره‌ای
شواهد مربوط به ابرجامد تنها به ساختار راه‌راه محدود نبود. پژوهشگران در الگوهای ایجادشده نقص‌هایی شبیه گردابه نیز مشاهده کردند. این ساختارها از نظر فیزیکی اهمیت داشتند؛ زیرا می‌توانند با ویژگی‌های ابرشاره‌ای سامانه ارتباط داشته باشند.
در یک ابرشاره، رفتار جریان با مایعات معمولی تفاوت دارد و حرکت ماده تحت شرایط کوانتومی خاصی انجام می‌شود. در چنین سامانه‌هایی، گردابه‌ها می‌توانند ساختارهای مشخصی داشته باشند و شکل‌گیری آن‌ها اطلاعاتی درباره وضعیت کوانتومی ماده ارائه دهد. بنابراین، مشاهده نقص‌های گردابه‌مانند در آزمایش جدید، سرنخ دیگری بود که پژوهشگران برای بررسی ویژگی‌های ابرشارگی در اختیار داشتند.
وجود نوارهای منظم به ویژگی ساختاری و بلورمانند سامانه اشاره می‌کرد؛ درحالی‌که مشاهده گردابه‌ها به بررسی رفتار ابرشاره‌ای کمک می‌کرد. ترکیب این دو دسته نشانه برای شناسایی ابرجامد اهمیت داشت. به بیان ساده، دانشمندان به دنبال حالتی بودند که هم نظم فضایی داشته باشد و هم برخی ویژگی‌های ویژه ابرشاره‌ها را نشان دهد.
البته تفسیر این نشانه‌ها نیازمند بررسی دقیق داده‌های آزمایشگاهی است. در فیزیک کوانتومی، مشاهده یک الگوی ظاهری به‌تنهایی برای شناسایی قطعی یک حالت ماده کافی نیست و باید مجموعه‌ای از ویژگی‌ها در کنار هم ارزیابی شوند. به همین دلیل، پژوهشگران علاوه‌بر مشاهده ساختارهای فضایی، رفتار سامانه را در شرایط مختلف نیز بررسی کردند.
آیا نتیجه آزمایش قابل تکرار بود؟
یکی از معیارهای مهم برای ارزیابی اعتبار یک نتیجه علمی، امکان تکرار آزمایش و مشاهده رفتار مشابه است. اگر یک پدیده فقط در یک نمونه یا یک نوبت آزمایش دیده شود، ممکن است عوامل تصادفی یا نقص‌های فنی در شکل‌گیری آن نقش داشته باشند. به همین دلیل، پژوهشگران تلاش کردند یافته‌های خود را در نمونه‌های مختلف بررسی کنند.
در مطالعه جدید، آزمایش روی چند نمونه متفاوت انجام شد و نتایج مشابهی به دست آمد. این موضوع نشان داد که مشاهده الگوهای موردنظر محدود به یک نمونه خاص نبوده است. علاوه‌بر آزمایش‌های عملی، محققان از شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای نیز کمک گرفتند تا رفتار سامانه را بهتر تحلیل کنند.
شبیه‌سازی‌ها به پژوهشگران اجازه می‌دهند شرایط مختلف را بررسی کنند و ببینند آیا مدل‌های نظری می‌توانند ویژگی‌های مشاهده‌شده را توضیح دهند یا خیر. در این مطالعه، نتایج محاسباتی از برداشت پژوهشگران درباره شکل‌گیری حالت ابرجامد پشتیبانی کرد. هم‌خوانی میان داده‌های آزمایشگاهی و شبیه‌سازی‌ها، اعتبار تفسیر ارائه‌شده را افزایش داد.
بااین‌حال، تکرارپذیری نتیجه به معنای برطرف‌شدن تمام محدودیت‌های سامانه نیست. پژوهشگران همچنان با مشکلاتی مانند عمر کوتاه حالت کوانتومی و تخریب تدریجی مواد روبه‌رو بودند. این محدودیت‌ها نشان می‌دهند که دستاورد جدید، با وجود اهمیت علمی، هنوز به مرحله‌ای نرسیده است که بتوان آن را به‌سادگی در کاربردهای عملی به کار گرفت.
چرا ابرجامد ایجادشده فقط مدت کوتاهی دوام داشت؟
با وجود موفقیت پژوهشگران در ایجاد حالت ابرجامد، سامانه آزمایشگاهی هنوز محدودیت مهمی دارد: وضعیت کوانتومی شکل‌گرفته برای مدت طولانی پایدار نمی‌ماند. این حالت پس از تابش هر پالس لیزری ایجاد می‌شود و تنها مدت کوتاهی دوام می‌آورد. بنابراین، محققان هنوز نتوانسته‌اند ابرجامدی بسازند که برای مدت طولانی در شرایط ثابت باقی بماند.
این محدودیت برای توسعه کاربردهای احتمالی فناوری اهمیت زیادی دارد. بسیاری از ابزارهای علمی و فناوری‌های پیشرفته به سامانه‌هایی نیاز دارند که بتوانند رفتار موردنظر را به‌صورت پایدار و قابل‌کنترل حفظ کنند. اگر یک حالت کوانتومی فقط برای مدت بسیار کوتاهی وجود داشته باشد، انجام اندازه‌گیری‌های پیچیده یا استفاده از آن در تجهیزات عملی دشوار خواهد بود.
مشکل دیگر به مواد مورد استفاده در ساخت سامانه مربوط می‌شود. پژوهشگران مشاهده کردند که مواد به‌مرور زمان تخریب می‌شوند و همین مسئله می‌تواند روند آزمایش را مختل کند. درنتیجه، برای تکرار برخی اندازه‌گیری‌ها لازم بود نمونه‌های تازه‌ای آماده شود. این موضوع هم زمان انجام آزمایش‌ها را افزایش می‌دهد و هم نشان می‌دهد که پیش از استفاده گسترده از این روش، باید دوام مواد و پایداری ساختار بهبود پیدا کند.
یکی از مسیرهای احتمالی برای ادامه پژوهش، یافتن ترکیب‌های مادی مقاوم‌تر و بهینه‌سازی ساختار ریزحفره است. اگر محققان بتوانند شرایط برهم‌کنش نور و ماده را به شکلی تنظیم کنند که حالت کوانتومی برای مدت بیشتری باقی بماند، امکان بررسی دقیق‌تر ویژگی‌های ابرجامد نیز فراهم می‌شود. همچنین، کنترل بهتر ولتاژ و شرایط نوری می‌تواند به مدیریت رفتار سامانه کمک کند.
چرا ساخت ابرجامد در دمای اتاق یک دستاورد مهم است؟
اهمیت اصلی پژوهش جدید در این است که نشان می‌دهد برای ایجاد این نوع رفتار کوانتومی، همیشه نیازی به سرمایش بسیار شدید وجود ندارد. بسیاری از آزمایش‌های پیشین برای بررسی حالت‌های غیرمعمول ماده به دستگاه‌های تخصصی نیاز داشتند که نمونه‌ها را به دماهای بسیار پایین می‌رساندند. چنین تجهیزاتی هزینه‌بر هستند و استفاده از آن‌ها به امکانات آزمایشگاهی پیشرفته وابستگی دارد.
در مقابل، سامانه جدید با تکیه بر نور، کریستال مایع و نیمه‌رسانای آلی کار می‌کند و می‌تواند در دمای اتاق و حتی دماهای نزدیک به ۶۰ درجه سانتی‌گراد فعال باشد. این ویژگی از نظر طراحی آزمایش‌ها اهمیت دارد؛ زیرا پژوهشگران می‌توانند برخی رفتارهای کوانتومی را بدون فراهم‌کردن محیط‌های فوق‌سرد بررسی کنند.
یکی دیگر از مزیت‌های سامانه، امکان کنترل برخی ویژگی‌های آن با تغییر ولتاژ است. این قابلیت می‌تواند تنظیم شرایط آزمایش را ساده‌تر کند و به محققان اجازه دهد رفتار ماده را در وضعیت‌های مختلف بررسی کنند. همچنین، ساختار مورد استفاده نسبتاً کم‌هزینه توصیف شده است؛ موضوعی که در صورت توسعه بیشتر می‌تواند دسترسی آزمایشگاه‌های بیشتری را به این روش فراهم کند.
البته منظور از فعالیت در دمای اتاق این نیست که سامانه از تمام محدودیت‌های فنی و آزمایشگاهی بی‌نیاز شده است. برای ایجاد و مشاهده حالت کوانتومی همچنان باید شرایط نوری و ساختاری مناسبی فراهم باشد. دستاورد پژوهش بیشتر نشان می‌دهد که می‌توان برخی ویژگی‌های ابرجامد را در سامانه‌ای مهندسی‌شده و بدون سرمایش شدید ایجاد کرد.
ابرجامد در آینده چه کاربردهایی می‌تواند داشته باشد؟
در حال حاضر، پژوهش جدید بیش از آنکه یک فناوری آماده استفاده باشد، راهکاری تازه برای مطالعه حالت‌های کوانتومی محسوب می‌شود. بااین‌حال، محققان امیدوارند توسعه چنین سامانه‌هایی در بلندمدت به پیشرفت برخی فناوری‌های پیشرفته کمک کند.
یکی از حوزه‌های احتمالی، ساخت حسگرهای کوانتومی است. این حسگرها از ویژگی‌های خاص سامانه‌های کوانتومی برای اندازه‌گیری کمیت‌های فیزیکی با دقت بالا استفاده می‌کنند. اگر بتوان حالت‌های کوانتومی ویژه را در ساختارهایی پایدارتر و ساده‌تر ایجاد کرد، ممکن است مسیر طراحی برخی ابزارهای اندازه‌گیری جدید هموار شود.
سامانه‌های محاسباتی مبتنی بر نور نیز از دیگر زمینه‌هایی هستند که می‌توانند از پیشرفت در کنترل برهم‌کنش نور و ماده بهره ببرند. در این روش‌ها، نور می‌تواند برای انتقال یا پردازش اطلاعات مورد استفاده قرار بگیرد. پژوهش درباره اکسیتون-پولاریتون‌ها و رفتار جمعی آن‌ها ممکن است در آینده به شناخت بهتر سازوکارهای موردنیاز برای چنین فناوری‌هایی کمک کند.
بااین‌حال، نباید از نتایج این آزمایش انتظار داشت که به‌سرعت به ساخت رایانه‌های کوانتومی یا حسگرهای تجاری منجر شود. فاصله میان مشاهده یک پدیده در آزمایشگاه و تبدیل آن به فناوری کاربردی می‌تواند بسیار زیاد باشد. برای رسیدن به چنین مرحله‌ای، دانشمندان باید پایداری سامانه را افزایش دهند، امکان کنترل دقیق‌تر آن را فراهم کنند و عملکردش را در شرایط مختلف بسنجند.
گامی تازه برای مطالعه حالت‌های عجیب ماده
کشف جدید فیزیک‌دانان نشان می‌دهد ترکیب نور و مواد نیمه‌رسانا می‌تواند راهی متفاوت برای ایجاد و بررسی حالت‌های غیرمعمول کوانتومی فراهم کند. پژوهشگران با استفاده از ریزحفره، کریستال مایع، نیمه‌رسانای آلی و پالس‌های لیزری توانستند اکسیتون-پولاریتون‌ها را به وضعیتی هماهنگ برسانند که نشانه‌هایی از نظم بلورمانند و رفتار ابرشاره‌ای داشت.
تشکیل نوارهای منظم، تغییر موقعیت آن‌ها در آزمایش‌های تکراری و مشاهده نقص‌های گردابه‌مانند، شواهد مهمی بودند که به شناسایی این وضعیت کمک کردند. تکرار آزمایش روی نمونه‌های مختلف و پشتیبانی شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای نیز به تقویت نتیجه پژوهش انجامید.
با وجود این، عمر کوتاه حالت ایجادشده و تخریب تدریجی مواد همچنان از موانع اصلی توسعه این روش هستند. دانشمندان باید در تحقیقات آینده راه‌هایی برای افزایش دوام سامانه و کنترل بهتر ویژگی‌های آن پیدا کنند. اگر این مشکلات برطرف شوند، امکان بررسی دقیق‌تر ابرجامد و دیگر پدیده‌های کوانتومی در شرایط آزمایشگاهی ساده‌تر فراهم خواهد شد.
در مجموع، اهمیت این دستاورد در آن است که دانشمندان توانسته‌اند نشانه‌های یک حالت پیچیده کوانتومی را بدون نیاز به سرمای بسیار شدید مشاهده کنند. این موفقیت هنوز به معنای کاربرد صنعتی یا تجاری ابرجامد نیست؛ اما می‌تواند مسیر تازه‌ای برای مطالعه رفتار ماده و توسعه سامانه‌های نوری و کوانتومی در آینده باز کند.
نتایج این پژوهش در نشریه علمی Science Advances منتشر شده است.
https://farcoland.com/2yPR1J
کپی آدرس
