دانشمندان نور را به یک “ابرجامد” تبدیل کردند

دانشمندان برای نخستین‌بار موفق شده‌اند کاری کنند که نور همانند یک ابرجامد (super solid) رفتار کند، دستاوردی بزرگی که می‌تواند درک ما از این فاز عجیب ماده را به سطح جدیدی برساند.

ابرجامد حالتی از ماده است که مانند یک جامد ساختاری منظم دارد، اما همچون ابرشاره  (superfluid)  می‌تواند بدون اصطحکاک جریان یابد. پیش از این، ابرجامدها تنها در شرایط خاصی و درون میعانات بوز-اینشتین (Bose–Einstein condensates) تولید شده بودند، فازی از ماده که در آن، گاز اتم‌ها تا نزدیکی صفر مطلق سرد می‌شود.

به گفته‌ی دو فیزیکدان ایتالیایی آنتونیو جیانفات از مرکز CNR Nanotec و داویده نیگرو از دانشگاه پاویا «این تنها آغاز راه برای درک ابرجامد بودن است.»

ماده چگونه رفتار می‌کند؟

در زندگی روزمره، ما بیشتر با سه فاز اصلی ماده سر و کار داریم: جامد، مایع و گاز و گاهی هم با پلاسما، مثل نور مهتابی‌ها.

اما همان‌طور که پژوهشگران توضیح می‌دهند «در دماهای نزدیک به صفر مطلق، ماهیت کوانتومی اتم‌ها نمایان می‌شود و فازهای عجیب ماده مانند ابرجامد ظاهر می‌شوند.»

ابرجامدها نخستین ‌بار در دهه ۱۹۶۰ پیش‌بینی شدند، اما تا سال ۲۰۱۷ هیچ‌گاه به‌صورت تجربی تولید نشده بودند، تا اینکه تیمی از دانشگاه MIT و مؤسسه ETH زوریخ توانستند آن را بسازند.

نور چگونه ابرجامد شد؟

جیانفات و نیگرو تصمیم گرفتند بررسی کنند که آیا می‌توان این شرایط خاص را در یک پلتفرم نیمه‌هادی فوتونی نیز ایجاد کرد، ساختاری که در آن فوتون‌ها مشابه الکترون‌ها هدایت می‌شوند، هدف آن‌ها تبدیل نور به ابرجامد بود.

آن‌ها با استفاده از نور لیزر و یک بستر نیمه‌هادی خاص ساخته‌شده از آلومینیوم گالیوم آرسنید، توانستند فوتون‌ها را وادار به رفتاری مشابه الکترون‌ها کنند.

در این سیستم، فوتون‌ها می‌توانند وارد یکی از سه حالت کوانتومی هم‌انرژی (isoenergetic) شوند که تنها تفاوت آن‌ها، عدد موج (wavenumber) آن‌هاست.

تشبیه: سالن تئاتر کوانتومی

در آغاز آزمایش، فوتون‌های معدودی که در سیستم هستند، نامنسجم و بی‌نظم هستند، اما به محض عبور از یک آستانه عددی خاص، فوتون‌ها وارد یک میعان (condensate) واحد می‌شوند.

دانشمندان برای توضیح این پدیده از یک تشبیه استفاده کردند:

«فرض کنید در یک سالن تئاتر شلوغ هستید که تنها سه صندلی در ردیف جلو خالی مانده: یکی وسط و دو تا در دو سر ردیف. صندلی وسط بهترین دید را دارد، اما فقط یک نفر می‌تواند روی آن بنشیند.
در سالن کوانتومی، که ذرات بوزونی (با اسپین عدد صحیح) حضور دارند، همه می‌توانند همزمان روی همان صندلی وسط بنشینند و این می‌شود میعان بوز–اینشتین: حالتی که بسیاری از ذرات به‌طور هم‌زمان در پایین‌ترین سطح انرژی قرار می‌گیرند.»

شکل‌گیری ابرجامد

زمانی که تعداد فوتون‌ها در سیستم باز هم بیشتر می‌شود، زوج‌هایی از فوتون‌ها از آن حالت مرکزی (صندلی وسط) رانده می‌شوند و وارد دو حالت کناری می‌گردند، تا انرژی کلی سیستم کاهش یابد.

به گفته محققان:

«این فوتون‌ها، میعانات فرعی (satellite condensates) را تشکیل می‌دهند که دارای عدد موج غیرصفر و مخالف هستند اما انرژی یکسان دارند»

در این شرایط، حالت ابرجامد شکل می‌گیرد؛ حالتی که در آن توزیع فضایی فوتون‌ها دچار نوسان و نظم موضعی می‌شود، که مشخصه کلیدی یک ابرجامد است.

این دستاورد، نه تنها نشان می‌دهد که نور را می‌توان به ابرجامد تبدیل کرد، بلکه افق‌های جدیدی در زمینه نورشناسی کوانتومی، محاسبات نوری و فازهای پیچیده ماده در اختیار فیزیکدان‌ها قرار می‌دهد.