چالش مهم برای یک نظریه شصت‌ساله در فیزیک حالت جامد
همشهری آنلاین – یکتا فراهانی: بیش از شصت سال است فیزیک‌دانان با نظریه‌ای موسوم به «مایع فرمی» دنیای فلزات را توصیف کرده‌اند؛ نظریه‌ای که می‌گوید الکترون‌ها هرچند در گروه‌هایی به نام شبه‌ذره‌ها حرکت می‌کنند، اما همچنان بار الکتریکی را به‌صورت مجزا جابه‌جا می‌کنند. اما حالا گروهی از پژوهشگران با کشف شگفت‌انگیزی می‌گویند این تصویر دیگر کامل نیست.
فلزات عجیب
در دنیای تازه‌ای به نام « فلزات عجیب » الکترون‌ها در هم ذوب می‌شوند، هویت خود را از دست می‌دهند و جریان برق به‌جای ذرات با یک «سیال کوانتومی» بی‌چهره منتقل می‌شود. این نه‌تنها مفهوم رسانایی را به چالش می‌کشد، بلکه ممکن است راهی به‌سوی درک بهتر ابررسانایی در دماهای بالا نیز باز کند.
پایان دوران الکترون‌های آزاد؟
ما می‌دانیم که برق از حرکت الکترون‌ها در فلزها به وجود می‌آید. هر الکترون بار مشخص و جداگانه‌ای حمل می‌کند. اما این تصویر ساده با واقعیت فاصله دارد. الکترون‌ها به دلیل نیروی دافعه‌ای که نسبت به هم دارند، بر یکدیگر تأثیر می‌گذارند؛ به‌گونه‌ای که حرکت یک الکترون، موجب برهم‌زدن الکترون‌های اطراف می‌شود.
وقتی الکترون‌ها گروهی می‌شوند
در شرایطی که این اختلال‌ها نسبتاً کوچک باشند، الکترون‌ها دیگر به‌صورت جداگانه حرکت نمی‌کنند؛ بلکه به شکل گروه‌هایی از شبه ذرات رفتار می‌کنند. حتی در این حالت هم جریان الکتریکی همچنان از طریق بارهای گسسته منتقل می‌شود، اما نه توسط الکترون‌های آزاد بلکه به‌صورت حرکات جمعی الکترون‌ها. این رفتار، شالوده نظریه «مایع فرمی» را شکل می‌دهد؛ نظریه‌ای که بیش از شش دهه پایه‌ی فیزیک فلزات بوده است.
فلزاتی که این قواعد را نمی‌پذیرند
بااین‌حال، مواد تازه‌ای کشف شده‌اند که به‌نام «فلزات عجیب» شناخته می‌شوند و از این چارچوب پیروی نمی‌کنند. در این فلزات، رسانایی الکتریکی به‌وسیله بارهای گسسته شبه‌ذره‌گونه انجام نمی‌شود. پژوهشگران با بهره‌گیری از تکنیکی به‌نام «اندازه‌گیری نویز شات» دریافته‌اند که در این فلزات، الکترون‌ها در هم محو می‌شوند و به‌صورت یک سیال کوانتومی یکنواخت درمی‌آیند.
اگر الکترون نیست، پس جریان را چه چیزی حمل می‌کند؟
این کشف، سوالی بنیادین را مطرح می‌کند: اگر دیگر خبری از الکترون‌های جداگانه نیست، چه چیزی مسئول رسانش الکتریکی است؟ نظریه مایع فرمی از بزرگ‌ترین دستاوردهای فیزیک حالت جامد محسوب می‌شود. اما فلزات عجیب، این پایه را متزلزل کرده‌اند. اکنون فیزیک‌دانان در پی خلق نظریه‌ای نو هستند تا این رفتار شگفت‌انگیز را توجیه کند؛ تلاشی که می‌تواند تحولی در دانش مواد ورسانش الکتریکی به وجود آورد.
پیوند راز فلزات عجیب با ابررسانایی
یکی از پیامدهای احتمالی این کشف، درک بهتر از ابررساناهایی است که در دماهای بالا کار می‌کنند. این مواد در حالت عادی، دقیقاً همانند فلزات عجیب رفتار می‌کنند و از قواعد مایع فرمی پیروی نمی‌کنند. شاید رمز ابررسانایی نیز در همین آشفتگی کوانتومی نهفته باشد.
اندازه‌گیری نویز شات
پژوهشگران برای بررسی اینکه آیا جریان الکتریکی به‌صورت گسسته حرکت می‌کند یا نه از روش نویز شات استفاده کردند. این روش نوسانات تصادفی در جریان مستقیم را اندازه‌گیری می‌کند. این نوسانات زمانی پدید می‌آیند که جریان از بارهای گسسته تشکیل شده باشد؛ مانند زمانی که چند قطره بزرگ باران بافاصله به سقف بخورند. اگر جریان یکنواخت و بی‌وقفه باشد، نویز شات صفر خواهد بود؛ درست مانند بارانی شدید که دیگر قطره‌ای در کار نیست.
بیشتر بخوانید :
- قوی‌ترین وسیله مغناطیسی جهان اینجاست
- مفاهیم: الکترون‌ولت چیست؟
فلزاتی بدون چهره؛ وقتی جریان بی‌صدا می‌شود
در فلزات عجیب، نویز شات تقریباً وجود ندارد. این بدان معناست که جریان، چهره‌ای یکنواخت و بدون ویژگی دارد. به نظر می‌رسد الکترون‌ها هویت خود را ازدست‌داده و در سیالی کوانتومی حل شده‌اند.
عبور از موانع آزمایشگاهی
اندازه‌گیری نویز شات بدون تأثیر عوامل خارجی، کار ساده‌ای نیست. ارتعاشات شبکه اتمی در فلزات می‌توانند الکترون‌ها را جابه‌جا کنند و نویز را تحت‌تأثیر قرار دهند. به همین دلیل، پژوهشگران مجبور شدند سیم‌هایی در مقیاس نانو بسازند؛ به‌قدری کوچک که الکترون‌ها پیش از حس‌کردن این ارتعاشات، از آن عبور کنند.
وقتی فیزیک، حیرت‌زده می‌شود
فلزات عجیب، تصویری از جهان را پیش روی ما می‌گذارند که با آنچه سال‌ها باور داشته‌ایم، تفاوت دارد. اگر روزی به نظریه‌ای نو درباره رسانش الکتریکی برسیم که دیگر نیازی به الکترون‌های جداگانه ندارد، نه‌تنها به درک عمیق‌تری از دنیای مواد خواهیم رسید، بلکه شاید راهی نو برای ابررسانایی و حتی فناوری‌های آینده گشوده شود. آیندة فیزیک، شاید از دل همین «سیال کوانتومیِ بی‌چهره» آغاز شود.
