دکتر یزدانی دانشمند ایرانی وجود مایع کوانتومی را ثابت کرد + عکس

برای نخستین بار در یک آزمایش، از مدارهای الکترون در یک میدان به شدت مغناطیسی، به طور مستقیم عکس‌برداری شده است. به این ترتیب، زوایای تاریک و پنهان رفتار دسته‌جمعی الکترون‌ها روشن شده است. این امر می‌تواند منجر به کشف روش‌های جدید در استفاده از ذرات باردار شود.

این تحقیق توسط دانشگاه پرینستون (Princeton) و دانشگاه تگزاس-آستین (University of Texas-Austin) انجام شده شده است و نتایج آن در ژورنال ساینس (Science) منتشر شده است. این تحقیق نشان می‌دهد که اگر الکترون‌ها در معرض دمای بسیار پایین قرار گیرند تا رفتار کوانتومی آنها ظاهر شود، آنگاه به صورت خود به خودی شروع به طی مسافت در مسیر‌های مشابه و بیضی شکل روی سطح کریستال بیسموت می‌کنند و در نتیجه حالت سیال کوانتومی به وجود می‌آید. این رفتار، دو دهه قبل توسط محققان دانشگاه پرینستون و سایر دانشگاه‌ها پیش‌بینی شده بود.

علی یزدانی (Ali Yazdani)، پروفسور فیزیک از دانشگاه پرینستون که رهبری تیم تحقیقاتی را عهده‌دار است، در این رابطه می‌گوید:این آزمایش، اولین تصویربرداری از جریان سیال تشکیل یافته از الکترون است. در این آزمایش مشاهده‌ می‌شود که برهم‌کنش بین الکترون‌ها سبب می‌شود تا آنها به صورت دسته‌جمعی مدارهایی با شکل عجیب را برای گردش انتخاب کنند. یافته‌ی بزرگ دیگر ما این است که برای اولین بار مدارهایی که الکترون‌ها بر روی آنها و تحت تاثیر میدان مغناطیسی گردش می‌کنند را به طور مستقیم مشاهده کردیم. در حقیقت، این موضوع ناشی از توانایی ما برای عکسبرداری از مدارها بود که به ما اجازه داد تا نحوه‌ی تشکیل مایع عجیب کوانتومی را شناسایی کنیم.

اکتشافات بنیادین در حوزه‌ی عناصر و مواد می‌تواند زمینه‌ای برای توسعه‌ی تکنولوژی‌های جدیدتر، پرسرعت‌تر و موثرتر باشد. وسایل الکترونیکی امروزی از پردازنده‌های سیلیکونی استفاده می کنند. اما از آن جایی که این نوع پردازنده‌ها در حال رسیدن به حد نهایت ظرفیت خود در پردازش اطلاعات هستند، دانشمندان در حال جستجوی مواد و مکانیزم‌های جدید برای جایگزین کردن آن هستند.

مواد دوبعدی، یکی از حوزه‌های پیشرفت در این موضوع محسوب می‌شود. مواد دوبعدی اجازه می‌دهند که حرکت الکترون را بعد از رهایی از قید‌های شبکه‌ی کریستال کنترل کنیم. حرکت الکترون می‌تواند شامل جا‌به‌جایی در پاکت‌ها (pockets) و یا گودی‌های (valleys) مربوط به حالات مختلف ایجاد شده توسط کریستال باشد. محققان در حال کار بر روی روش‌هایی هستند تا بتوانند این پروسه را در حیطه‌ی نوظهور ولی‌ترونیکس (valleytronics) نیز اعمال کنند.

در این تحقیق، مدارهای عجیب بیضی شکل شبیه وجود الکترون در گودی‌های مربوط به حالات مختلف کریستال است. محققان می‌گویند که این آزمایش، وضعیتی نادری از الکترون‌ها را نشان می‌دهد که به طور خود‌انگیخته، گودی‌های مختلف موجود در کریستال را پر می‌کنند.

محققان دانشگاه پرینستون برای مشاهده‌ی رفتار الکترون‌ها در سطح بیسموت از یک میکروسکوپ تونلی اسکن (scanning tunneling microscope) در دمای بسیار پایین استفاده کرده‌اند. دلیل انجام آزمایش در دمای پایین این است که رفتار کوانتومی تنها در دماهای پایین ظاهر می‌شود. از آنجایی که الکترون‌ها برای دیده شدن بسیار کوچک هستند، از میکروسکوپ تونلی روبشی برای انجام آزمایش استفاده شده است. نحوه‌ی عملکرد این نوع میکروسکوپ به این گونه است که براساس روبش (اسکن) سطح رسانا به‌ وسیله‌ی نوک بسیار باریک (در حد چند نانومتر) و تغییر در میزان جریان عبوری برحسب فاصله می‌تواند آرایش اتم‌ها در سطح شبکه را به تصویر بکشد.

بیسموت به نسبت دارای تعداد الکترونی کمی است، از این رو برای مشاهده‌ی سیال الکترونی یک ماده‌ی ایده‌آل محسوب می‌شود. با قرار دادن آن در معرض میدان مغناطیسی بسیار قوی می‌توان رفتار سیال الکترونی را بررسی کرد. به رغم خلوص بسیار بالای بیسموت، کریستال ساخته شده از آن برای این آزمایش، کمی معیوب است؛ به این معنی که تقریبا از هر ده هزار اتم بیسموت، یک اتم در مکان درست خود قرار نگرفته است. در حال عادی و بدون حضور میدان مغناطیسی، الکترون‌ها در کریستال بیسموت از یک اتم به اتم دیگری منتقل می‌شوند.

اما با اعمال میدان مغناطیسی بسیار قوی به صورت عمود بر مسیر حرکت الکترون‌ها، این مسیرها به صورت مدار‌های بیضی شکلی درمی‌آیند که الکترون‌ها روی آنها به دور نقص‌های کریستالی می‌چرخند، درست همانند گردش سیارات به دور ستاره‌ی خود. محققان دریافتند که می‌توانند توابع موج و ویژگی‌های مدارهای ایجاد شده را اندازه‌گیری کنند، و به این ترتیب به ابزار بسیار مهمی در مطالعه رفتار دوبعدی الکترون‌ها بر روی سطح کریستال دست پیدا می‌کنند.

به دلیل ساختار شبکه‌ی کریستال، محققان انتظار داشتند که سه نوع مدار بیضوی مشاهده شود. اما آنها دریافتند که همه‌ی مدارهای الکترونی به صورت خود‌انگیخته در یک جهت همتراز شده‌اند، که با عنوان نظم نماتیک (nematic order) نیز شناخته شده‌ است. محققان بر این باورند که به دلیل میدان مغناطیسی نیرومند، الکترون‌ها به گونه‌ای با هم بر‌هم‌کنش می‌کنند که در تقارن شبکه‌بندی بنیادین کریستال اختلال ایجاد می‌شود. یزدانی می‌گوید:همانند این است که الکترون‌ها در یک لحظه تصمیم بگیرند چنین رفتاری داشته باشند، اگر الکترون‌ها همگی یک جهت خاص در داخل کریستال را برگزینند و مسیر حرکت خود را با توجه به آن جهت تغییر دهند، باعث کاهش سطح انرژی کریستال می‌شوند. چیزی که قبلا وجود آن پیش‌بینی شده بود اما هیچگاه اثبات نشده بود این است که ما می‌توانیم سیال الکترونی را به سیال نماتیک تبدیل کنیم، و با تغییر برهم‌کنش بین الکترون‌ها، جهت‌گیری مورد نظر خود را ایجاد کنیم.

وی می‌افزاید:ما می‌توانیم با تغییر شدت میدان مغناطیسی، الکترون‌ها را مجبور کنیم که برهم کنش قوی‌تری با یکدیگر داشته باشیم و به این ترتیب عملا دیده می‌شود که چگونه الکترون‌ها با انتخاب یک جهت مشخص به صورت دسته‌جمعی، تقارن موجود در سطح کریستال را به هم می‌ریزند.

گمان می‌رود که این به‌هم‌ریختگی ناگهانی تقارن که به حوزه‌ای فعال برای تحقیق و بررسی بدل شده، باعث پدیدار شدن ویژگی‌های فیزیکی مانند ابررسانایی در دمای بسیار بالا می‌شود. ابررسانایی حالتی است که الکترون‌ها تقریبا بدون هیچ‌گونه مقاومتی می‌توانند حرکت کنند.

قبل از این که محققان بتوانند از این رفتار الکترون‌ها در میدان مغناطیسی عکس برداری کنند، دانشمندان سرنخ‌هایی از این رفتار داشته‌اند، به همین دلیل است که آن را مایع نماتیک کوانتومی هال (nematic quantum Hall liquid) نامیده‌اند.

آلان مک‌دونالند (Allan McDonald)، پروفسور فیزیک در دانشگاه تگزاس-آستین که در حوزه‌ی مباحث تئوری مربوط به این آزمایش، با تیم همراهی داشته است می‌گوید:پژوهشگران در حوزه‌های مختلفی پیگیر این مسئله بوده‌اند و می‌خواستند این رفتار الکترون‌ها را مشاهده کنند، اما این آزمایش راهی نو در پیش روی ما گذاشته است. من قبلا با همراهی چند تن از دانشجویانم بر روی سیستم‌های مشابه کار کرده بودم. اما زمانی که تیم یزدانی آنچه را که کشف کرده بودند به من نشان دادند، بی‌درنگ فهمیدم که آنها چیزی را که ما پیش‌بینی کرده بودیم را شناسایی کرده‌اند، اما به روشی که کاملا دور از انتظار بود. واقعا سورپرایز خوبی بود.

نتایج این مطالعه می‌تواند به عنوان مدرکی آزمایشگاهی برای اثبات چیزی باشد که دانشمندان از دو دهه قبل وجود آن را پیش‌بینی کرده‌ بودند. یکی از این دانشمندان، پروفسور فیزیک از دانشگاه پرینستون، شیواجی سوندهی (Shivaji Sondhi) است.

همچنین ادواردو فرادکین (Eduardo Frankdin)، پروفسور فیزیک از دانشگاه ایلینوی (University of Illinois) به همراه پروفسور فیزیک استیون کیولسون (Steven Kivelson) از دانشگاه استنفورد (Stanford University) مقاله‌ای را در سال ۱۹۹۸ منتشر کردند و در آن وجود این رفتار نماتیک در الکترون‌ها را پیش‌بینی کردند. فرادکین، که نقشی در این تحقیق نداشته است، در مورد آزمایش این طور می‌گوید:آنچه آزمایش یزدانی به ما ارائه می‌دهد، روشی است که بیشتر متکی بر کوانتوم برای کشف ویژگی‌های رفتاردسته‌جمعی الکترون‌ها در این ماده است. ما در مورد این موضوع مدتها استدلال و مباحثه کرده بودیم و حالا با این آزمایش درستی آن برای این ماده‌ی خاص اثبات شد. به نظر من، کار یزدانی راضی‌کننده است.برای ورود به کانال تلگرام ما کلیک کنید.

اخبار زیر را از دست ندهید:

باشگاه بازیگر معروف به صحنه قتل تبدیل شد+تصاویر

شوخی‌ هولناک پسرعمو با دخترعمو 2 خانواده را به هم ریخت

مردی که اجازه نداد دخترش را از غرق شدن نجات دهند !

ماجرای حکم تیر برای 6 بچه تهرانی که به مشهد فرار کرده بودند + عکس

اقدام زشت با پسر نوجوان در برابر دوربین خانه ویلایی + عکس

با پارسا ارتباط گناه آلود داشتم / برادرم می خواهد مرا بکشد

شباهت عجیب سحر قریشی و بازیگر 27 ساله برزیلی-آلمانی +عکس

بازیگر زن مشهور سریال پایتخت مادر شد! +عکس

بازیگر با سابقه سینما در جست‌وجوی کمی شیطنت! +عکس

رونمایی از چهره بازیگر نقش آیت الله هاشمی رفسنجانی درسریال معمای شاه +عکس