کشف عجیب رقص الکترون‌ها و اتم‌ها که باعث قطع شدن برق میشه!

یه تیم بین‌المللی از دانشمندها بالاخره یکی از قدیمی‌ترین معماهای فیزیک کوانتوم رو حل کردن! ماجرا از این قراره که تو یه ماده خاص که فاز عناصر کمیاب زمین (rare-earth یعنی عناصری که معمولاً کمیابن و کاربردهای خاص دارن) به اسمش میاد، یه ذره شبه‌ذره (quasiparticle یعنی چیزی که شبیه ذره رفتار می‌کنه ولی واقعا یه ترکیب چندتا چیزه) به اسم پولارون (polaron) رو کشف کردن که تا حالا گیرش نیاورده بودن.

این تیم که از دانشگاه کیل آلمان و مرکز تحقیقاتی DESY بودن (مثل پروفسور کای روزناگل)، تونستن توضیح بدن چرا این ماده به طور ناگهانی از یه فلز عالی برای انتقال برق، به یه عایق که برق ازش عبور نمی‌کنه تبدیل میشه.

ماده‌ای که راجع بهش حرف می‌زنیم، ترکیبیه از تولیوم، سلنیوم و تلوریوم (Thulium, Selenium, Tellurium). کلا این جوریه: تا وقتی مقدار تلوریوم به حدود ۳۰ درصد می‌رسه، یهویی همه چی عوض میشه! یعنی بدون هیچ علت شیمیایی آشکاری، برق ازش عبور نمی‌کنه. دانشمندها واقعا گیج شده بودن که آخه چرا با این مقدار، ماده یکهو عوض میشه.

حالا راز این معما: پولارون‌ها! پولارون چیه؟ پولارون وقتی درست میشه که یه الکترون با ارتعاشات اتم‌های اطرافش قاطی میشه و با هم یه حالت ترکیبی جدید می‌سازن. یعنی یه الکترون با لرزش‌هایی که تو ساختمون کریستالی ایجاد میشه، دست به یکی می‌کنن و یه چیزی جدید خلق میشه که شبیه یه ذره مستقل رفتار می‌کنه! دانشمندها به این میگن “رقص” الکترون و اتم‌ها. یعنی وقتی الکترون داره حرکت می‌کنه، در واقع با خودش یک موج کوچیک از تغییرات ساختار کریستال رو هم می‌کشه، انگار یه تو رفتگی کوچیک تو کریستال حرکت می‌کنه. همین باعث میشه حرکت الکترون کُند بشه و دیگه برق مثل قبل جریان پیدا نمی‌کنه.

برای اینکه این داستان رو کشف کنن، سال‌ها زحمت کشیدن و با دستگاه‌های فوق پیشرفته تو چندتا مرکز سینکروترون (synchrotron facility یعنی آزمایشگاه‌هایی که اشعه ایکس خیلی قوی تولید می‌کنن واسه تحقیق روی مواد) تلاش کردن. اونا با یه روش به اسم طیف‌سنجی فوتو-امیسیون با وضوح بالا (high-resolution photoemission spectroscopy یعنی بررسی دقیق برخورد نور و خروج الکترون از ماده) مدام ماده رو با اشعه ایکس بمبارون می‌کردن تا ببینن الکترون‌ها چجوری رفتار می‌کنن.

چیزی که توجهشون رو جلب کرد این بود که همیشه کنار سیگنال اصلی، یه برآمدگی کوچولو تو داده‌ها می‌دیدن که فکر می‌کردن اشکال از دستگاهه. اما هربار این سیگنال ریز تکرار می‌شد، تا اینکه آقای دکتر چول-هی مین (Chul-Hee Min) که از سال ۲۰۱۵ داشت رو این پروژه کار می‌کرد، بالاخره جدی‌تر پیگیری کرد. با کمک نظریه‌پردازها، یه مدل معروف به اسم مدل اندرسن دوره‌ای (periodic Anderson model یعنی مدلی که تو فیزیک برای توصیف سیستم‌های الکترونی تو مواد پیچیده استفاده میشه) رو تغییر دادن تا اثر قاطی شدن الکترون و ارتعاش اتم‌ها رو هم وارد کنن. نتیجه فوق‌العاده جالب شد: وقتی این تأثیر رو وارد محاسبات کردن، شبیه‌سازی عددی و اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی یکی شد!

تا قبل این، پولارون‌ها فقط بحث تئوری بودن، ولی حالا برای اولین بار تو این دسته از مواد کوانتومی (quantum materials – یعنی موادی که رفتار عجیب کوانتومی دارن و معمولاً آینده تکنولوژی توشون پنهونه) کشف شدن. دانشمندها میگن همین اثرات تو مواد پیشرفته دیگه هم می‌تونه وجود داشته باشه، مثل ابررساناهای دمای بالا (High-temperature superconductors یعنی موادی که تقریباً بدون مقاومت می‌تونن برق رو انتقال بدن) و مواد دو‌بعدی (2D materials یعنی موادی با ضخامت فقط یه لایه اتمی).

خلاصه، این کشف نه‌تنها بالاخره معمای تبدیل عجیب فلز به عایق رو حل کرد، بلکه وجود پولارون‌ها رو تو یه کلاس جدید از مواد تایید کرد و راه تازه‌ای برای تحقیق تو زمینه مواد کوانتومی باز کرد. با این رقص جذاب الکترون و اتم‌ها، خیلی خلاقانه میشه سمت تکنولوژی‌های آینده رفت!

پیشنهاد می‌کنم اگه علاقه‌مند به این ماجرا شدی، یه نگاه به مقاله اصلی تو ژورنال Physical Review Letters هم بندازی.

منبع: +