فیزیکدانان دانشگاه براون موفق به کشف گونه‌ای جدید از ذرات به نام اکسیتون‌های کسری شده‌اند که قوانین رایج فیزیک کوانتومی را به چالش می‌کشند. این ذرات در شرایط خاصی به نام رژیم کوانتومی هال کسری شکل می‌گیرند و ویژگی‌های مشترکی با هر دو نوع ذره‌ی بوزون و فرمیون دارند. کشف اکسیتون‌های کسری مسیر تازه‌ای را برای پیشرفت در مکانیک کوانتومی و کاربردهای نوین در محاسبات کوانتومی گشوده است.
رونمایی از گونه‌ای جدید از ذرات کوانتومی
در پژوهشی پیشگامانه، فیزیکدانان دانشگاه براون وجود اکسیتون‌های کسری را اثبات کرده‌اند. این ذرات کوانتومی، رفتاری بی‌سابقه از خود نشان می‌دهند. اکسیتون‌های کسری بار کلی ندارند. به همین دلیل، در دسته‌بندی ذرات سنتی مانند بوزون یا فرمیون قرار نمی‌گیرند. بلکه، ترکیبی از ویژگی‌های هر دو را از خود نشان می‌دهند. این کشف، نه تنها درک ما از دنیای کوانتومی را ژرف‌تر می‌کند، بلکه نویدبخش کاربردهای انقلابی در حوزه‌هایی مانند محاسبات کوانتومی است.
پدیده‌ی اثر کوانتومی هال کسری
این تحقیق بر پایه‌ی اثر کوانتومی هال کسری انجام شده است. این پدیده، گونه‌ای پیشرفته از اثر هال کلاسیک است. در این پدیده، وقتی مواد در دماهای بسیار پایین و میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی قرار می‌گیرند، خواص الکتریکی آنها جهش‌های کسری غیرمعارفی در ولتاژ نشان می‌دهد. این رفتار به ذراتی مربوط می‌شود که حامل بارهای کسری هستند. این حوزه، دهه‌هاست که توجه دانشمندان را به خود جلب کرده است.
برای بررسی دقیق‌تر این پدیده، محققان سیستم ویژه‌ای را طراحی کردند. این سیستم از دو لایه نازک گرافن تشکیل شده که با لایه‌ای از نیترید بور شش ضلعی از هم جدا شده‌اند. این ساختار، امکان کنترل دقیق حرکت بارهای الکتریکی را فراهم می‌کند و تشکیل اکسیتون‌ها را آسان‌تر می‌سازد. اکسیتون‌ها، ذرات مرکبی هستند که از جفت شدن یک الکترون با یک «حفره» (جایی که یک الکترون کم است) تشکیل می‌شوند.
مشاهده‌ی اکسیتون‌های کسری
وقتی این سیستم در معرض میدان‌های مغناطیسی میلیون‌ها برابر قوی‌تر از میدان مغناطیسی زمین قرار گرفت، محققان اکسیتون‌های کسری را مشاهده کردند. این ذرات، رفتاری متفاوت از هر ذره‌ی شناخته شده‌ی دیگری از خود نشان دادند. ذرات سنتی به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: بوزون‌ها که می‌توانند حالت‌های کوانتومی یکسانی داشته باشند، و فرمیون‌ها که طبق اصل طرد پائولی نمی‌توانند حالت کوانتومی یکسانی داشته باشند. اکسیتون‌های کسری این مرزبندی را مبهم می‌کنند. آنها ویژگی‌هایی شبیه به انیون‌ها، گونه‌ای نادر از ذرات بین بوزون و فرمیون، از خود نشان می‌دهند. اما خواص منحصر به فرد آنها، آنها را حتی از انیون‌ها هم متمایز می‌کند.
نای‌یوان ژانگ، نویسنده‌ی اصلی این مطالعه، می‌گوید: “این رفتار غیرمنتظره نشان می‌دهد که اکسیتون‌های کسری می‌توانند نماینده‌ی گونه‌ی کاملا جدیدی از ذرات با خواص کوانتومی بی‌نظیر باشند.”
پیامدهایی برای محاسبات کوانتومی
کشف اکسیتون‌های کسری پیامدهای وسیعی دارد. این ذرات، با گشودن دریچه‌ای جدید به دنیای مکانیک کوانتومی، می‌توانند به پیشرفت‌هایی در نحوه‌ی ذخیره و پردازش اطلاعات در سطح کوانتومی منجر شوند. این کشف، نویدبخش توسعه‌ی کامپیوترهای کوانتومی سریع‌تر و قابل اعتمادتری است که از خواص بی‌نظیر این ذرات بهره می‌برند.
جیا لی، دانشیار فیزیک در براون، بر پتانسیل این پیشرفت تأکید می‌کند و می‌گوید: “ما در واقع بُعد جدیدی را برای کاوش و کنترل این پدیده گشوده‌ایم و هنوز در ابتدای راه هستیم.”
مسیرهای آینده
این تیم قصد دارد چگونگی برهم‌کنش اکسیتون‌های کسری با یکدیگر و امکان کنترل رفتار آنها برای کاربردهای عملی را بیشتر بررسی کند. دیما فلدمن، استادی که در این مطالعه مشارکت داشت، می‌گوید: “احساس می‌کنیم در آستانه‌ی کشفی بزرگ در مکانیک کوانتومی هستیم.”
یافته‌های آنها اولین تأیید تجربی وجود چنین ذراتی است و راه‌های جدیدی را برای پژوهش‌های نظری و ابداعات فناورانه در فیزیک کوانتومی باز می‌کند.
اگر به خواندن کامل این مطلب علاقه‌مندید، روی لینک مقابل کلیک کنید: phys.org
