کشف ذراتی عجیب با جرم متغیر: انقلابی در باتری‌ها و حسگرها؟

کشف ذرات تازه با ویژگی‌های خارق‌العاده

برای اولین بار، دانشمندان موفق به رصد مجموعه‌ای از ذرات شده‌اند که به اون‌ها “شبه‌ذرات” یا “کوازی‌ذره” میگن. جالب اینجاست که این کوازی‌ذره‌ها، در یک جهت، بی‌جرم و در جهت دیگه، دارای جرم هستند. این ذره که “فِرمیون نیمه‌دیراک” نام داره، حدود ۱۶ سال پیش، فقط در حد نظریه مطرح شده بود، اما اخیراً در داخل یک کریستال از جنس ماده‌ای نیمه‌فلزی به نام ZrSiS مشاهده شده. محققان معتقدن که مشاهده‌ی این ذره، دریچه‌های جدیدی رو به روی پیشرفت‌های آینده در فناوری‌های نوین، از باتری‌ها گرفته تا حسگرها، باز می‌کنه. این کشف نتیجه‌ی همکاری تیمی از دانشمندان دانشگاه‌های پن استیت و کلمبیا هست که نتایج تحقیقاتشون رو در مجله‌ی Physical Review X منتشر کردن.

یینمینگ شائو، استادیار فیزیک در دانشگاه پن استیت و نویسنده‌ی اصلی این مقاله، گفت: “واقعاً غیرمنتظره بود.” و ادامه داد: “ما اصلاً به دنبال فرمیون نیمه‌دیراک نبودیم وقتی کارمون رو با این ماده شروع کردیم، اما نشانه‌هایی دیدیم که برامون قابل درک نبودن – و بعدش متوجه شدیم که ما اولین کسایی هستیم که این شبه‌ذرات عجیب رو مشاهده کردیم. این ذرات، گاهی مثل ذرات دارای جرم حرکت می‌کنن و گاهی هم بدون جرم.”

یک ذره می‌تونه بدون جرم باشه، وقتی که انرژی‌اش کاملاً ناشی از حرکتش باشه. یعنی در اصل، فقط یک انرژی خالص هست که با سرعت نور حرکت می‌کنه. مثل یه فوتون یا ذره‌ی نور که اون رو بدون جرم در نظر می‌گیریم چون با سرعت نور حرکت می‌کنه. بر اساس نظریه‌ی نسبیت خاص آلبرت اینشتین، هر چیزی که با سرعت نور حرکت کنه، نمی‌تونه جرم داشته باشه. در مواد جامد، رفتار جمعی تعداد زیادی از ذرات که بهشون “شبه‌ذره” هم می‌گن، می‌تونه رفتاری متفاوت از ذرات منفرد داشته باشه، که در این مورد منجر به وجود ذراتی با جرم فقط در یک جهت میشه. شائو توضیح داد: “فرمیون‌های نیمه‌دیراک اولین بار در سال‌های ۲۰۰۸ و ۲۰۰۹ توسط چند گروه از محققان، از جمله دانشمندان دانشگاه پاریس سود در فرانسه و دانشگاه کالیفرنیا دیویس مطرح شدن.”

نظریه‌پردازها پیش‌بینی کرده بودن که ممکنه شبه‌ذراتی وجود داشته باشن که بسته به جهت حرکتشون، ویژگی‌های جرم‌شون تغییر کنه. به این صورت که در یک جهت بی‌جرم به نظر برسن و در جهت دیگه دارای جرم باشن. شانزده سال بعد، شائو و همکارانش، به طور کاملاً تصادفی، این شبه‌ذرات فرضی رو با روشی به اسم طیف‌سنجی مغناطیسی-نوری مشاهده کردن. این روش شامل تاباندن نور مادون قرمز به یک ماده در حالیه که اون ماده توی یه میدان مغناطیسی قوی قرار داره و بعد آنالیز نوری که از ماده بازتابیده میشه.

شائو و همکاراش می‌خواستن ویژگی‌های شبه‌ذرات رو در داخل کریستال‌های نقره‌ای‌رنگ ZrSiS مشاهده کنن. تیم تحقیقاتی آزمایش‌هاشون رو در آزمایشگاه ملی میدان مغناطیسی بالا در فلوریدا انجام داد. میدان مغناطیسی این آزمایشگاه، قوی‌ترین میدان مغناطیسی پایدار در دنیا رو ایجاد می‌کنه که تقریباً ۹۰۰,۰۰۰ برابر قوی‌تر از میدان مغناطیسی زمین است. این میدان اون‌قدر قویه که می‌تونه اشیاء کوچکی مثل قطره‌های آب رو در فضا معلق کنه.

محققان یک قطعه از ZrSiS رو تا دمای -۴۵۲ درجه فارنهایت سرد کردن – یعنی فقط چند درجه بالاتر از صفر مطلق، که سردترین دمای ممکنه – و بعد اون رو در معرض میدان مغناطیسی قوی آزمایشگاه قرار دادن و با تاباندن نور مادون قرمز بهش، به بررسی فعل و انفعالات کوانتومی درون ماده پرداختن. شائو گفت: “ما در حال مطالعه‌ی پاسخ نوری بودیم، این‌که الکترون‌ها در این ماده چطور به نور واکنش نشون می‌دن و بعد از اون، سیگنال‌های نوری رو بررسی کردیم تا ببینیم آیا چیز جالب‌توجهی درباره‌ی خودِ ماده و فیزیک زیربنایی اون وجود داره یا نه.” و اضافه کرد: “در این مورد، ما خیلی از ویژگی‌هایی رو که انتظار داشتیم در یک کریستال نیمه‌فلزی ببینیم، مشاهده کردیم و بعدش هم کلی چیز دیگه که کاملاً گیج‌کننده بود.”

تحقیقات جدید درباره‌ی رفتار الکترون‌ها در مواد مغناطیسی

وقتی یک میدان مغناطیسی به هر ماده‌ای اعمال بشه، سطح انرژی **الکترون‌های** داخل اون ماده به سطوح جداگانه‌ای تقسیم می‌شه که بهشون “سطوح لاندو” میگن. شائو توضیح داد که این سطوح فقط می‌تونن **مقادیر ثابتی** داشته باشن، مثل بالا رفتن از یه پله، بدون وجود پله‌های کوچیک بینشون. فاصله‌ی بین این سطوح، به جرم الکترون‌ها و شدت میدان مغناطیسی بستگی داره. پس، با زیاد شدن میدان مغناطیسی، سطوح انرژی الکترون‌ها باید به اندازه‌های مشخصی، بر اساس جرم‌شون زیاد بشه، اما در این مورد، این اتفاق نیفتاد.

محققان با استفاده از میدان مغناطیسی قوی در فلوریدا، مشاهده کردن که انرژی انتقال‌های سطح لاندو در بلور ZrSiS، **الگوی کاملاً متفاوتی** با وابستگی به شدت میدان مغناطیسی داره. سال‌ها پیش، نظریه‌پردازان این الگو رو “قانون توان B^2/3” نامیدن که نشانه‌ی کلیدی برای وجود **فرمیون‌های نیمه‌دیراک** هست. برای درک رفتار عجیب مشاهده‌شده، فیزیک‌دان‌های تجربی با فیزیک‌دان‌های نظری همکاری کردن تا یه مدل برای تشریح ساختار الکترونیکی ZrSiS بسازن. تمرکزشون روی مسیرهایی بود که الکترون‌ها می‌تونستن در اون‌ها حرکت کنن و با هم برخورد داشته باشن تا بررسی کنن که چطور الکترون‌های داخل ماده، در یک جهت، **جرم‌شون رو از دست می‌دن** اما در جهت دیگه این اتفاق نمی‌افته.

شائو گفت: “تصور کنید ذره‌ای **مثل یه قطار کوچولو** هست که داخل یه شبکه‌ای از ریل‌ها، که همون ساختار الکترونیکی زیرین ماده‌ست، محصور شده. حالا، در نقطه‌های خاصی، ریل‌ها به هم می‌رسن، در نتیجه قطار ذره‌ای ما که داره با سرعت نور روی ریل سریع خودش حرکت می‌کنه، به یه تقاطع می‌رسه و باید به یه ریل عمود بر اون تغییر مسیر بده. یهو، با یه مقاومتی روبه‌رو می‌شه و **جرم پیدا می‌کنه**. ذرات، بسته به این‌که در چه جهتی در ‘ریل‌های’ ماده حرکت کنن، یا کلی انرژی دارن یا دارای جرم هستن.”

آنالیز تیم تحقیقاتی نشون داد که **فرمیون‌های نیمه‌دیراک** در نقطه‌های تلاقی وجود دارن. به‌طور خاص، اونا در مسیرهای خطی، بی‌جرم به نظر می‌رسیدن اما وقتی در جهت عمود حرکت می‌کردن، جرم پیدا می‌کردن. شائو توضیح داد که ZrSiS یه ماده‌ی **لایه‌ای** هست، مثل گرافیت که از لایه‌های اتم‌های کربن تشکیل شده و می‌تونه به ورقه‌های گرافن که یه اتم ضخامت دارن، لایه‌لایه بشه. **گرافن** یه جزء حیاتی در فناوری‌های نوین هست، از باتری‌ها و ابرخازن‌ها گرفته تا سلول‌های خورشیدی، حسگرها و دستگاه‌های بیومدیکال.

شائو گفت: “این یه ماده‌ی لایه‌ای هست، یعنی وقتی بتونیم یه لایه از این ترکیب رو ببریم، می‌تونیم قدرت **فرمیون‌های نیمه‌دیراک** رو به کار بگیریم **و خواص اون رو با همون دقت گرافن کنترل کنیم.**” اما هیجان‌انگیزترین بخش این آزمایش اینه که هنوز هم نمی‌تونیم داده‌ها رو کاملاً توضیح بدیم. **معماهای** زیادی در اون‌چه دیدیم، وجود داره، برای همین ما داریم تلاش می‌کنیم تا اون‌ها رو درک کنیم.

دیگر محققان دانشگاه پن استیت در این مقاله شامل سانگ‌هات لی، **استاد پژوهشی** رشد بلورهای حجیم، یانگ لین‌ژو، پژوهشگر پسادکترا، و ژی‌کیانگ مائو، استاد **فیزیک، علم مواد و مهندسی، و شیمی** هستن. دیمیتری باسوف، استاد فیزیک در دانشگاه کلمبیا، نویسنده‌ی اصلی این مقاله بود. از دیگر نویسندگان همکار می‌شه به جی وانگ از دانشگاه تمپل، سئونگ‌فیلی مون از دانشگاه ایالت فلوریدا و **آزمایشگاه ملی میدان مغناطیسی بالا**، میخایلو اوزروف، دیوید گراف و دیمیتری اسمیروف از آزمایشگاه ملی میدان مغناطیسی بالا، آ. ن. رودنکو و م. آی. کاتسنلسون از دانشگاه رادبود هلند، جونا هرزوگ‌آربیتمن و ب. آندری برنوویگ از دانشگاه پرینستون، ژی‌یوان سون از دانشگاه هاروارد و راکول کئیرز و **اندرو جی. میلیس** از دانشگاه کلمبیا اشاره کرد. **بنیاد ملی علوم ایالات متحده، وزارت انرژی ایالات متحده و بنیاد سایمونز**، جنبه‌هایی از این تحقیق در دانشگاه پن استیت رو تأمین مالی کردن.