کشف شبه‌ذره‌ ضد الکتریسیته

نورنیوز-گروه اجتماعی: دانشمندان در رقص گریزان الکترون‌ها، اتم‌هایی را کشف کردند که الکتریسیته را از بین می‌برند.

 یک تیم بین‌المللی از محققان با کشف یک شبه‌ذره گریزان به نام پولارون(polaron) در یک ماده معدنی کمیاب و منحصر به فرد، یک معمای دیرینه در فیزیک کوانتومی را حل کرده‌اند.

این کشف که توسط دانشمندان دانشگاه کیل(Kiel) و مرکز تحقیقات «DESY» از جمله پروفسور کای راسناگل(Kai Rossnagel) انجام شده است، توضیح می‌دهد که چگونه این ماده می‌تواند به طور ناگهانی از یک فلز رسانای الکتریسیته به یک عایق کامل تبدیل شود.

این معما بر ترکیبی از تولیم(thulium)، سلنیوم(selenium) و تلوریم(tellurium) با فرمول شیمیایی «TmSe₁₋ₓTeₓ» متمرکز بود. فیزیکدانان از اینکه چرا این ماده پس از رسیدن محتوای تلوریم به تقریباً ۳۰ درصد، ناگهان از رسانایی جریان متوقف می‌شود (تغییری که ترکیب شیمیایی اولیه آن نمی‌توانست توضیح دهد) گیج شده بودند.

رقص الکترون‌ها و اتم‌ها

پاسخ، یک ذره ساده نیست، بلکه یک موجودیت مرکب است. یک «پولارون» زمانی تشکیل می‌شود که یک الکترون به شدت با ارتعاشات اتم‌های اطراف خود جفت می‌شود و یک حالت ترکیبی جدید ذره‌ای ایجاد می‌کند.

محققان در یک بیانیه مطبوعاتی توضیح دادند: «پولارون» را می‌توان به عنوان نوعی رقص بین یک الکترون و اتم‌ها توصیف کرد. در این ماده، الکترون با کمی اعوجاج در ساختار اتمی کریستال حرکت می‌کند که قابل مقایسه با یک فرورفتگی است که از طریق شبکه کریستالی عبور می‌کند.

این جفت شدن به طور مؤثر الکترون‌ها را کند می‌کند و در نهایت باعث می‌شود ماده رسانایی خود را از دست بدهد و به یک عایق تبدیل شود.

استفاده از پرتو ایکس قوی

این تیم پس از سال‌ها تحقیق مستمر، این پدیده را کشف کرد. محققان با استفاده از طیف‌سنجی گسیل نوری با وضوح بالا در تأسیسات مختلف سینکروترون جهانی، ماده را با پرتو ایکس قوی و شدید بمباران کردند تا رفتار الکترون‌های آن را مطالعه کنند.

سال‌ها بود که یک «سیگنال کوچک اضافی» در اندازه‌گیری‌های آنها ظاهر می‌شد که یک «برآمدگی کوچک» در کنار سیگنال اصلی بود که تیم در ابتدا آن را به عنوان یک خطای فنی در نظر گرفت.

این تیم خاطرنشان کرد: این سیگنال در اندازه‌گیری‌های مکرر دوباره ظاهر شد که باعث یک تحقیق سیستماتیک به رهبری دکتر چول-هی مین(Chul-Hee Min) شد. وی تحقیق در مورد این ماده را از سال ۲۰۱۵ آغاز کرد.

این موفقیت زمانی حاصل شد که تیم با نظریه‌پردازان همکاری کرد. آنها یک چارچوب نظری استاندارد، معروف به «مدل دوره‌ای اندرسون» را برای گنجاندن جفت شدن الکترون‌ها با ارتعاشات اتمی تطبیق دادند.

«مین» توضیح داد: این گام تعیین‌کننده بود. به محض اینکه این برهمکنش را در محاسبات گنجاندیم، شبیه‌سازی و اندازه‌گیری‌ها کاملاً با هم مطابقت داشتند.

پیامدها برای مواد کوانتومی

در حالی که پولارون‌ها یک مفهوم نظری شناخته شده بودند، این مطالعه اولین باری است که وجود آنها را به صورت تجربی در این دسته خاص از «مواد کوانتومی» اثبات می‌کند.

محققان معتقدند که این یافته‌ها می‌توانند پیامدهای قابل توجهی فراتر از این ترکیب داشته باشند. تصور می‌شود اثرات جفت شدن مشابه در سایر مواد پیشرفته، از جمله ابررساناهای دمای بالا و مواد دوبعدی نیز وجود داشته باشد.

«راسناگل» گفت: چنین اکتشافاتی اغلب از تحقیقات پایه مداوم ناشی می‌شوند، اما آنها دقیقاً همان چیزی هستند که می‌توانند در درازمدت به فناوری‌های جدید منجر شوند.

موفقیت این تیم در شناسایی «پولارون»، نه تنها تغییر عجیب این ماده از فلز به عایق را توضیح می‌دهد، بلکه یک مفهوم نظری کلیدی را در دسته جدیدی از مواد تأیید می‌کند.

این کار، مسیر جدیدی از تحقیقات را باز می‌کند و به دانشمندان اجازه می‌دهد تا بررسی کنند که چگونه می‌توان از این «رقص» میان الکترون‌ها و اتم‌ها در سایر سیستم‌های کوانتومی استفاده کرد.

این یافته‌ها در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.