ماده‌ای کوانتومی جدید قوانین الکترون‌ها را به هم ریخت

دانشمندان نشان داده‌اند که در یک ماده کوانتومی نادر توصیف رایج الکترون‌ها به‌عنوان ذرات عملا فرو می‌ریزد؛ اما با وجود این، ماده همچنان رفتار‌های توپولوژیک از خود نشان می‌دهد. این کشف درک فیزیک‌دانان از حالت‌های توپولوژیک ماده را به‌طور اساسی بازتعریف می‌کند.

به گزارش scitechdaily، در فیزیک کوانتوم ذرات رفتاری دوگانه دارند و علاوه بر ویژگی‌های ذره‌ای مانند موج نیز عمل می‌کنند؛ به همین دلیل نمی‌توان مکان دقیق آنها را مشخص کرد. با این حال در بسیاری از شرایط عملی فیزیک‌دانان هنوز از یک تصویر کلاسیک استفاده می‌کنند و الکترون‌ها را ذراتی کوچک با سرعت و انرژی مشخص در نظر می‌گیرند. این نگاه ساده‌سازی‌شده به‌ویژه برای توضیح جریان الکتریسیته در فلزات کاربرد دارد؛ جایی که جریان برق به‌صورت حرکت الکترون‌ها در ماده توصیف می‌شود.

پژوهش جدیدی در دانشگاه فنی وین نشان می‌دهد که این تصویر همیشه معتبر نیست. در برخی مواد خاص الکترون‌ها دیگر مانند ذراتی با مکان و سرعت مشخص رفتار نمی‌کنند. با این حال برخلاف انتظار این مواد همچنان می‌توانند ویژگی‌های توپولوژیک داشته باشند؛ ویژگی‌هایی که تاکنون همواره بر پایه مدل‌های ذره‌محور توضیح داده می‌شدند.

جایی که تصویر ذره‌ای از کار می‌افتد

یکی از نمونه‌های شاخص ترکیبی از سریم، روتنیم و قلع با فرمول CeRu₄Sn₆ است. این ماده در دما‌های بسیار نزدیک به صفر مطلق وارد حالتی موسوم به بحرانی کوانتومی می‌شود؛ حالتی که در آن ماده بین دو وضعیت متفاوت نوسان می‌کند و گویی نمی‌تواند یکی را انتخاب کند. در این شرایط مفهوم شبه‌ذره که اساس توصیف ذره‌ای الکترون‌هاست معنای خود را از دست می‌دهد.

سیلکه بوهلر پاشن، استاد فیزیک حالت جامد در TU Wien می‌گوید: تصویر کلاسیک الکترون‌ها به‌عنوان ذراتی که هنگام عبور جریان الکتریکی دچار برخورد می‌شوند بسیار مقاوم است و حتی در مواد پیچیده هم اغلب کار می‌کند، اما در شرایطی افراطی این تصویر کاملا فرو می‌پاشد.

توپولوژی از دونات تا مواد کوانتومی

در همین حال مطالعات نظری پیش‌بینی کرده بودند که این ماده خاص باید دارای حالت‌های توپولوژیک باشد. توپولوژی شاخه‌ای از ریاضیات است که ساختار‌های هندسی را بر اساس ویژگی‌های پایدارشان دسته‌بندی می‌کند؛ برای مثال یک سیب و یک نان گرد از نظر توپولوژیک مشابه‌اند، اما یک دونات به‌دلیل داشتن سوراخ ساختاری متفاوت دارد.

در فیزیک ماده چگال این مفاهیم برای توصیف الگو‌های پایدار در انرژی، سرعت یا جهت اسپین ذرات به کار می‌روند. چنین الگو‌هایی بسیار مقاوم‌اند و نقص‌های کوچک یا اختلالات آنها را از بین نمی‌برند. به همین دلیل مواد توپولوژیک گزینه‌های جذابی برای کاربرد‌هایی مانند ذخیره‌سازی اطلاعات کوانتومی، حسگر‌های پیشرفته و هدایت جریان الکتریکی بدون میدان مغناطیسی به شمار می‌روند.

یک تناقض نظری

مسئله اینجا بود که اغلب نظریه‌های توپولوژی هنوز به‌طور ضمنی بر وجود ذراتی با انرژی و سرعت مشخص تکیه دارند؛ در حالی که در این ماده چنین توصیفی معتبر نیست. این تناقض پژوهشگران را با پرسشی جدی روبه‌رو کرد: چگونه ممکن است ماده‌ای بدون رفتار ذره‌ای مشخص ویژگی‌های توپولوژیک داشته باشد؟

پژوهشگران TU Wien سرانجام تصمیم گرفتند این پیش‌بینی نظری را به‌صورت تجربی بررسی کنند. دیانا کیرشباوم، نویسنده اول این پژوهش در دما‌هایی کمتر از یک درجه بالاتر از صفر مطلق نشانه‌ای روشن از اثر هال غیرعادی مشاهده کرد؛ پدیده‌ای که معمولا در حضور میدان مغناطیسی رخ می‌دهد، اما در این آزمایش بدون اعمال هیچ میدان خارجی دیده شد.

نکته شگفت‌انگیز این بود که حامل‌های بار الکتریکی رفتاری شبیه ذرات از خود نشان می‌دادند در حالی که شواهد قوی وجود داشت که تصویر ذره‌ای در این ماده معتبر نیست. افزون بر این بیشترین شدت اثر توپولوژیک دقیقا در شرایطی دیده شد که نوسانات کوانتومی ماده بیشترین مقدار را داشتند. با کاهش این نوسانات از طریق فشار یا میدان مغناطیسی ویژگی‌های توپولوژیک نیز از بین می‌رفتند.

بازتعریف حالت‌های توپولوژیک ماده

این نتایج به گفته پژوهشگران نشان می‌دهد که حالت‌های توپولوژیک باید به شکلی عمومی‌تر تعریف شوند. آنها این فاز جدید را نیمه‌فلز توپولوژیک برآمده می‌نامند. در همکاری با دانشگاه رایس آمریکا یک مدل نظری جدید توسعه یافته که پیوند میان بحرانیّت کوانتومی و توپولوژی را توضیح می‌دهد.

بر اساس این مدل برای شکل‌گیری ویژگی‌های توپولوژیک الزاما نیازی به تصویر ذره‌ای وجود ندارد. حتی شواهد نشان می‌دهد که این ویژگی‌ها می‌توانند دقیقا به‌دلیل نبود حالت‌های ذره‌مانند پدیدار شوند.

مسیر تازه‌ای برای کشف مواد کوانتومی

این کشف راهبردی تازه برای شناسایی مواد توپولوژیک پیشنهاد می‌کند: تمرکز بر موادی که رفتار بحرانی کوانتومی دارند. از آنجا که چنین رفتار‌هایی در دسته‌های متنوعی از مواد دیده می‌شوند و شناسایی آنها امکان‌پذیر است این رویکرد می‌تواند به کشف طیف گسترده‌ای از مواد توپولوژیک جدید منجر شود؛ موادی که قوانین شناخته‌شده را به چالش می‌کشند و افق‌های تازه‌ای در فیزیک ماده چگال می‌گشایند.

انتهای پیام/