برای نخستین بار، دانشمندان توانستند تشکیل شدن شبه ذرات که به عنوان یک پدیده‌ی عجیب در برخی از جامدات رخ می دهد را به صورت واقعی مشاهده کنند. دانشمندان بسیار زیادی برای دهه‌ها تلاش کرده بودند تا بتوانند شاهد چنین رخدادی باشند. این موضوع فقط یک گام بزرگ در دنیای فیزیک نیست بلکه موفقیتی است که تغییرات عظیمی را در ساخت و ساز قطعات الکترونیکی فوق سریع به همراه خواهد داشت. همچنین در پیشرفت فرآیندهای کوانتومی می‌تواند راهنمای ما باشد.

به گزارش بیگ بنگ، سوال اصلی این است: “شبه ذرات دقیقا چه هستند؟” این ذرات، تقریبا ذرات فیزیکی هستند. اما، اصطلاح شبه ذرات برای توصیف پدیده‌های عجیب و غریب که در فرآیندهای بسیار فانتزی، به خصوص بسیاری از سیستم‌های کوانتومی و یا مواد حالت جامد، رخ می‌دهد، به کار می‌رود. یک مثال رایج در خصوص این پدیده، حرکت کردن الکترون‌ها درون فاز جامد میباشد. زمانی که الکترون‌ها در محیطی سفر می‌کنند به دلیل اینکه دارای بار الکتریکی هستند محیط اطرافشان را قطبی (پلاریزه) می‌کنند. قطبش ایجاد شده همراه با الکترون، درون مواد حرکت می‌کند. این پدیده تحت عنوان “شبه ذرات” توصیف می‌شود.

یکی از محققان در زمینه شبه ذرات به اسم “رادولف گریم” از دانشگاه اینسبورک اتریش، در این خصوص می‌گوید: «شما می‌توانید شبه ذرات را همانند یک اسکی‌باز در یک روز برفی تصور کنید. زمانیکه اسکی‌باز توسط ابری از کریستال‌های برف احاطه شده است سیستمی را با محیط اطرافش تشکیل می‌دهد که ویژگی‌های بسیار متفاوتی با اسکی‌باز بدون ابر برفی دارد.» شبه ذرات و نحوه‌ی تشکیل شدن آنها به صورت بسیار گسترده در مدل‌های تئوری توصیف شده بود اما، اندازه‌گیری حقیقی و مشاهده‌ی آن‌ها به صورت واقعی برای سال‌ها یک چالش اساسی در علم محسوب می‌شد. این چالش زمانی مفهوم بیشتری پیدا می‌کند که بدانیم پدیده‌های “شبه ذرات” نه تنها در مقیاس‌های بسیار کوچک رخ می‌دهند بلکه همچنین طول عمر بسیار بسیار اندکی نیز دارند.

گریم در این مورد گفت:« تمام فرآیند تشکیل شبه ذرات، تنها در چند آتوثانیه رخ می‌دهد، و همین امر مشاهده‌ی این پدیده را در گذر زمان بسیار دشوار می‌کند.» برای فهم بیشتر مطلب، ذکر این نکته ضروری است که یک آتوثانیه برابر با 18-^10 ثانیه میباشد. به عبارت بهتر، نسبت یک آتوثانیه به یک ثانیه برابر با نسبت یک ثانیه به 31.71 میلیارد سال میباشد. می‌بینید که این پدیده چقدر می‌تواند سریع رخ دهد.

تیمی از محققان تشکیل شد تا بتوانند راهی پیدا کنند تا به وسیله‌ی آن بتوانند سرعت این رخداد را کمی کاهش دهند. این تیم، درون یک مخزن خلاء از تله‌های لیزری استفاده کرد تا بتواند گاز فوق سرد کوانتومی، متشکل از اتم‌های لیتیم، که مقدار اندکی اتم‌های پتاسیم در مرکز آنها قرار داده شده بود، را تولید کند. سپس به این محیط یک میدان مغناطیسی اعمال شد. در اثر این میدان، برهمکنش میان ذرات، که در واقع همان پتاسیم‌های جاسازی شده در لیتیم بودند، باعث رخداد یک پدیده‌ی شبه ذرات تحت عنوان ” Fermi Polaron ( احاطه شدن الکترون‌ها توسط فونون‌ها یا بسته‌های کوانتومی انرژی مکانیکی-ارتعاشی)” شد.

زمان رخ دادن چنین پدیده‌هایی در حالت عادی در حدود 100 آتوثانیه میباشد اما به دلیل وجود گاز فوق سرد کوانتومی، این تیم توانست سرعت این فرآیند را کاهش داده و برای نخستین مرتبه شاهد آن باشد. گریم در خصوص این مشاهده گفت:« ما فرآیندهای فیزیکی مشابه را در محیط‌هایی با دانسیته‌ی بسیار کمتر، شبیه‌سازی کردیم و در آنجا زمان تشکیل Fermi Polaron در حدود چند میکروثانیه بود.»

هدف ترسیم شده‌ی کنونی، نه تنها مشاهده‌ی این پدیده‌ها بلکه همچنین اندازه‌گیری آن‌ها می‌باشد. این امر به ما کمک خواهد کرد تا راهی برای پیشرفت سیستم‌های کوانتومی پیدا کنیم و این موضوع برای ما، سیستم‌های الکترونیک فوق سریع را به ارمغان خواهد آورد. گریم گفته است:« ما روش‌هایمان را به گونه‌ای بهبود داده‌ایم که بتوانیم زمان تقریبی تولد یک پلارون را به صورت واقعی مشاهده کنیم. این امر ممکن است دریچه‌ی جالبی را بر روی ما بگشاید و بدین وسیله بتوانیم ویژگی‌های فیزیک کوانتومی قطعات الکترونیکی فوق سریع را بفهمیم.» نتایج این تحقیق در نشریه‌ی Science منتشر شده است.

مترجم: ندا حائری/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: sciencealert.com