درک بهتر سیستم‌های کوانتومی با "رایحه هیچ چیز"

محققان دانشگاه هامبورگ آلمان با یک آزمایش جدید موفق به درک بهتر سیستم‌های کوانتومی شده‌اند.

به گزارش ایسنا و به نقل از فیز، مقاومت الکتریکی صفر در دمای اتاق؟ ماده‌ای با این خاصیت، یعنی یک ابررسانا در دمای اتاق می‌تواند توزیع برق را متحول کند، اما هنوز حتی منشا ابررسانایی در دمای بالا نیز به خوبی درک نشده است.

دانشمندان دانشگاه هامبورگ موفق شده اند برای اولین بار شواهد روشنی از ابرشارگی(superfluidity) در یک سیستم مدل مرکزی، یک ابر گازی دو بعدی مشاهده کنند. دانشمندان آزمایشات خود را در مجله Science ارائه داده‌اند که اجازه می‌دهد تا موضوعات کلیدی در مورد ابررسانایی با درجه حرارت بالا در یک مدل بسیار خوب کنترل شده بررسی شود.

ابرشارگی (Superfluidity) یک فاز است که غالباً در دماهای پایین دیده می‌شود، به‌طور مثال هلیوم-۳ و هلیوم-۴ دارای یک اصطکاک سطحی هستند که بعد از گذر از نقطه لاندا، گرانروی این مایع به صفر تبدیل می‌شود و مایع بدون اصطکاک می‌تواند جریان یابد. این پدیده ابتدا برای هلیوم مایع کشف شد، اما در اخترفیزیک، انرژی‌های بالا و نظریه‌های گرانش کوانتومی هم دیده می‌شود.

چیزهایی وجود دارد که قرار نیست اتفاق بیفتد. به عنوان مثال آب نمی‌تواند از شیشه یک لیوان عبور کند و به لیوان دیگری جریان یابد. در حالی که با کمال تعجب، مکانیک کوانتومی این اتفاق را ممکن می‌کند، اما به شرطی که مانع بین دو مایع به اندازه کافی نازک باشد.

با توجه به اثر تونل‌زنی مکانیک کوانتومی، ذرات می‌توانند حتی اگر مانع بالاتر از سطح مایع باشد، در مانع نفوذ کنند. حتی جالب‌تر اینکه این جریان حتی می‌تواند وقتی که سطح هر دو طرف یکسان باشد، همچنان جریان یابد. البته برای تحقق این امر، مایعات در هر دو طرف باید ابرشاره باشند، یعنی باید بتوانند بدون اصطکاک روی موانع حرکت کنند.

این پدیده شگفت‌انگیز توسط "برایان جوزفسون" در پایان‌نامه دکترای وی پیش بینی شده بود و چنان از اهمیت اساسی برخوردار است که وی به خاطر آن جایزه نوبل دریافت کرد. این جریان تنها توسط ماهیت موج ابرشاره‌ها هدایت می‌شود و علاوه بر ویژگی‌های دیگر، می‌تواند اطمینان حاصل کند که ابرشاره شروع به نوسان بین دو طرف کند؛ پدیده‌ای که با نام "نوسانات جوزفسون" شناخته می‌شود.

اثر جوزفسون برای اولین بار در سال ۱۹۶۲ بین دو ابررسانا مشاهده شد. در آزمایش، مانند جریان آب بدون تفاوت سطح، یک جریان الکتریکی می‌تواند از طریق یک تماس تونلی و بدون ولتاژ کاربردی جریان یابد. با این کشف، اثبات چشمگیری ارائه شده است که نشان می‌دهد ماهیت موجی ماده در ابررساناها را حتی در سطح ماکروسکوپی می‌توان مشاهده کرد.

اکنون برای اولین بار دانشمندان گروه پروفسور "هنینگ موریتز" موفق شده‌اند نوسانات جوزفسون را در یک گاز دو بعدی فِرمی(Fermi) مشاهده کنند. این گازهای فرمی متشکل از "رایحه هیچ چیز" هستند، یعنی یک ابر گازی که دارای تنها چند هزار اتم است. اگر آنها را تا چند میلیونیم درجه بالاتر از صفر مطلق سرد کنیم، به شکل ابرشاره (superfluid) درمی‌آیند و می‌توان از آنها برای مطالعه ابرشاره‌ها استفاده کرد که در آن ذرات به شدت با یکدیگر در تعامل هستند و تنها در دو بعد زندگی می‌کنند.

یک گاز فرمی مجموعه‌ای از تعداد زیادی فرمیون است. فرمیون‌ها که نامشان از روی نام "انریکو فرمی" گرفته‌شده‌است، ذراتی هستند که از آمار فرمی-دیراک پیروی می‌کنند. این آمار، توزیع انرژی فرمیون‌ها در یک گاز فرمی درتعادل گرمایی را تعیین می‌کنند و مشخصه آنها، چگالی تعداد، دما و مجموعه حالت‌های انرژی در دسترس است.

"نیکلا لوئیک"، نویسنده مسئول این مطالعه می‌گوید: ما از این مسئله که مشاهده نوسانات جوزفسون در آزمایش ما قابل مشاهده بود، شگفت‌زده شدیم.

پروفسور "موریتز" می‌گوید: این موفقیت، فرصت‌های جدید بسیاری را برای ما به وجود می‌آورد تا بتوانیم بینش خود در مورد ماهیت ابرشاره‌های دو بعدی و به شدت در تعامل را بهبود بخشیم. ما به خاطر درک بهتر از سیستم‌های کوانتومی با این آزمایش خوشحال هستیم.