کشف حالت عجیب کوانتومی در دمای اتاق؛ ماده‌ای که هم جامد است و هم مثل مایع جریان دارد!
فیزیک‌دانان موفق شده‌اند حالتی نادر از ماده به نام «ابرجامد» را در دمای اتاق مشاهده کنند؛ پدیده‌ای که در آن یک سیستم کوانتومی هم‌زمان ساختاری منظم شبیه بلور دارد و ویژگی‌های یک مایع بدون گرانروی را نیز نشان می‌دهد. این آزمایش با استفاده از ذرات ترکیبی نور و ماده انجام شده و می‌تواند مسیر تازه‌ای برای توسعه فناوری‌های فوتونیکی و رایانش کوانتومی باز کند.
تصور کنید ماده‌ای داشته باشید که از یک طرف مانند یک قطعه بلور، ساختاری منظم و تکرارشونده داشته باشد و از طرف دیگر بتواند درست مانند یک مایع، بدون مقاومت داخلی جریان پیدا کند. شاید در دنیای معمولی چنین چیزی غیرممکن به نظر برسد، اما قوانین عجیب مکانیک کوانتومی امکان وجود چنین حالتی را فراهم می‌کنند.
دانشمندان اکنون موفق شده‌اند این پدیده را در شرایطی بسیار متفاوت از آزمایش‌های قدیمی مشاهده کنند؛ آن هم بدون نیاز به سردکردن شدید ماده تا دماهای نزدیک به صفر مطلق. این دستاورد که در نوامبر ۲۰۲۶ گزارش شده، توجه جامعه علمی را به خود جلب کرده است.
ابرجامد چیست و چرا دانشمندان را شگفت‌زده کرده است؟
این حالت غیرمعمول از ماده «ابرجامد» یا Supersolid نام دارد. برای درک بهتر آن، باید دو ویژگی متفاوت را بشناسیم.
در یک جامد معمولی، ذرات در آرایشی منظم و تقریباً ثابت قرار می‌گیرند و ساختاری شبیه شبکه بلوری ایجاد می‌کنند. در مقابل، مایعات شکل ظرف خود را می‌گیرند و می‌توانند جریان پیدا کنند.
اما ابرجامد این دو ویژگی را هم‌زمان ترکیب می‌کند. یعنی سیستم از نظر آرایش ذرات، نظمی شبیه بلور دارد، اما در عین حال ویژگی ابرشاره‌ای یا Superfluidity را نیز نشان می‌دهد. ابرشاره به حالتی گفته می‌شود که در آن گرانروی از بین می‌رود و جریان می‌تواند بدون اتلاف انرژی ناشی از اصطکاک داخلی ادامه پیدا کند.
این پدیده از دهه‌ها قبل در نظریه‌های فیزیک کوانتومی مطرح شده بود، اما مشاهده و بررسی تجربی آن کار ساده‌ای نیست. نخستین نمونه‌های ابرجامد در آزمایشگاه‌ها با استفاده از سامانه‌های اتمی بسیار سرد بررسی شدند. اکنون پژوهشگران راه متفاوتی برای ساخت و مطالعه این حالت پیدا کرده‌اند.
نقش نور در ساخت یک حالت تازه از ماده
گروه بین‌المللی پژوهشگران برای انجام این آزمایش از ذراتی به نام «اکسیتون-پولاریتون» استفاده کردند. این ذرات در واقع ترکیبی از نور و ماده هستند که در اثر برهم‌کنش قوی فوتون‌ها با برانگیختگی‌های الکترونی ماده به وجود می‌آیند.
به بیان ساده، نور در یک ساختار بسیار کوچک نوری به دام می‌افتد و با ماده‌ای نیمه‌رسانا برهم‌کنش می‌کند. نتیجه این فرایند، شکل‌گیری ذرات ترکیبی است که رفتار آن‌ها را نمی‌توان صرفاً مانند نور معمولی یا ذرات عادی ماده توضیح داد.
پژوهشگران برای ساخت این سامانه از یک ریزحفره نوری استفاده کردند که درون آن بلور مایع ویژه‌ای قرار داشت و با لایه‌هایی از یک نیمه‌رسانای آلی پوشانده شده بود. این ترکیب امکان برهم‌کنش قوی نور و ماده را فراهم می‌کرد.
با تاباندن پالس‌های لیزری، انرژی لازم برای شکل‌گیری حالت کوانتومی موردنظر تأمین شد. ذرات اکسیتون-پولاریتون در شرایط مناسب به حالتی جمعی رسیدند که ویژگی‌های یک چگالش بوز-اینشتین را نشان می‌داد؛ حالتی که در آن تعداد زیادی ذره کوانتومی رفتاری هماهنگ و مشترک پیدا می‌کنند.
نکته مهم این است که در این آزمایش، خود نور معمولی به یک قطعه جامد تبدیل نشده است؛ بلکه ذرات ترکیبی نور و ماده توانسته‌اند رفتار ابرجامد از خود نشان دهند.
چگونه دانشمندان فهمیدند ابرجامد ساخته‌اند؟
یکی از مهم‌ترین نشانه‌های شکل‌گیری ابرجامد، ظاهرشدن نوارهای روشن و منظم در نور خروجی سامانه بود. این نوارها نشان می‌دادند که چگالش کوانتومی به‌صورت خودبه‌خودی الگویی دوره‌ای و شبیه ساختار بلوری پیدا کرده است.
اما آزمایش به همین مشاهده محدود نشد.
پژوهشگران متوجه شدند که با هر بار تاباندن پالس لیزری، نوارهای روشن در موقعیت متفاوتی ظاهر می‌شوند. به عبارت دیگر، سامانه در هر بار اجرای آزمایش، خودش یکی از آرایش‌های ممکن را انتخاب می‌کرد.
این رفتار برای فیزیک‌دانان اهمیت ویژه‌ای داشت؛ زیرا نشان می‌داد نظم مشاهده‌شده از ابتدا به‌صورت مکانیکی به سامانه تحمیل نشده، بلکه در نتیجه رفتار خودجوش سیستم کوانتومی شکل گرفته است. این ویژگی در فیزیک با عنوان «شکست خودبه‌خودی تقارن» شناخته می‌شود.
هم‌زمان، دانشمندان تغییرات منظم دیگری را نیز در قطبش نور خروجی مشاهده کردند. وجود این الگوهای مختلف، شواهد بیشتری برای تأیید رفتار غیرمعمول سامانه فراهم کرد.
چرا انجام این آزمایش در دمای اتاق مهم است؟
بسیاری از پدیده‌های کوانتومی عجیب فقط در شرایط بسیار سرد قابل مشاهده هستند. در چنین آزمایش‌هایی، تجهیزات پیچیده‌ای برای کاهش دما تا نزدیکی صفر مطلق موردنیاز است؛ موضوعی که هزینه و دشواری تحقیقات را افزایش می‌دهد.
اما ساختار جدید پژوهشگران می‌تواند در دمای اتاق کار کند و حتی طبق گزارش دانشگاه ورشو، در شرایطی با دمای نزدیک به ۶۰ درجه سانتی‌گراد نیز قابل استفاده است.
این ویژگی می‌تواند مطالعه حالت‌های کوانتومی را ساده‌تر و دسترس‌پذیرتر کند. البته این به معنای آماده‌بودن فناوری برای استفاده روزمره نیست؛ بلکه نشان می‌دهد دانشمندان به بستری رسیده‌اند که می‌تواند در آینده برای ساخت ابزارهای نوری پیشرفته مورد استفاده قرار بگیرد.
یک مشکل مهم در مسیر پیشرفت
با وجود موفقیت آزمایش، پژوهشگران با یک محدودیت عملی روبه‌رو شدند. ماده نیمه‌رسانای آلی مورد استفاده در دستگاه به‌مرور با بلور مایع واکنش نشان می‌داد و کیفیت نمونه کاهش پیدا می‌کرد.
به همین دلیل، گروه تحقیقاتی مجبور بود آزمایش‌ها را در فاصله زمانی کوتاهی پس از آماده‌سازی هر نمونه انجام دهد. تکرار یک آزمایش نیز گاهی به ساخت نمونه‌ای کاملاً جدید نیاز داشت.
این موضوع نشان می‌دهد که هنوز برای تبدیل این روش به فناوری پایدار و قابل استفاده در مقیاس بزرگ، تحقیقات بیشتری لازم است.
آیا این کشف آینده رایانش کوانتومی را تغییر می‌دهد؟
پژوهشگران معتقدند کنترل‌پذیری این سامانه و امکان فعالیت آن در دمای معمولی می‌تواند در آینده برای توسعه فناوری‌های فوتونیکی، حسگرهای پیشرفته و ابزارهای مرتبط با پردازش اطلاعات کوانتومی مفید باشد.
البته هنوز نمی‌توان گفت این کشف به‌تنهایی راه را برای ساخت رایانه‌های کوانتومی جدید هموار کرده است. کاربردهای عملی آن به آزمایش‌های بیشتر و حل مشکلات مربوط به پایداری مواد و کنترل دقیق سامانه نیاز دارند.
نتایج این پژوهش در مجله علمی Science Advances منتشر شده و گروهی از دانشمندان دانشگاه ورشو، دانشگاه فناوری نظامی لهستان، مرکز پژوهشی IBM در زوریخ و مرکز ملی پژوهش‌های علمی فرانسه در انجام آن مشارکت داشته‌اند.
شاید جذاب‌ترین بخش این کشف آن باشد که مرز میان حالت‌های مختلف ماده، آن‌قدرها هم که در زندگی روزمره تصور می‌کنیم، قطعی نیست. در مقیاس کوانتومی، چیزی که هم‌زمان ویژگی‌های جامد و مایع را دارد، نه یک خیال علمی‌تخیلی، بلکه پدیده‌ای قابل مشاهده و بررسی در آزمایشگاه است.
نظرها
هنوز کسی نظر نداده. اولین نفر باش و بگو چی فکر می‌کنی!