ابرجامد در دمای اتاق؛ فیزیکدانان حالت عجیب ماده را بدون سرمای مطلق به‌وجود آوردند

وقتی از حالت‌های ماده صحبت می‌کنیم، معمولاً سه حالت جامد، مایع و گاز به ذهنمان می‌رسد. اما در دنیای کوانتوم، ماده می‌تواند رفتارهای بسیار متفاوتی داشته باشد. دانشمندان به‌تازگی موفق شده‌اند یکی از این حالت‌های عجیب را که ابرجامد (Supersolid) نام دارد، در دمای اتاق ایجاد کنند. چنین کاری معمولاً به تجهیزات سرمایشی بسیار پیشرفته نیاز دارد.

به‌گزارش ساینس‌آلرت، گروهی بین‌المللی از پژوهشگران توانسته‌اند با استفاده از نور و مواد نیمه‌رسانا، حالتی از ماده بسازند که هم ساختاری منظم مانند جامد دارد و هم ویژگی‌هایی شبیه مایعات بدون اصطکاک از خود نشان می‌دهد. نکته جالب این است که سامانه ساخته‌شده حتی در دماهای نزدیک به ۶۰ درجه سانتی‌گراد نیز کار می‌کند و برخلاف بسیاری از آزمایش‌های کوانتومی، به سرمای نزدیک به صفر مطلق نیاز ندارد.

برای درک این کشف، ابتدا باید با مفهوم ابرشاره آشنا شویم. ابرشاره نوعی حالت ماده است که می‌تواند بدون مقاومت ناشی از گران‌روی جریان پیدا کند.

ابرجامد ویژگی عجیب دیگری هم دارد: ذرات آن برخلاف مایعات معمولی، آرایشی منظم و تکرارشونده شبیه ساختار بلورها دارند. به زبان ساده، ابرجامد هم نظم ساختاری یک جامد را نشان می‌دهد و هم ویژگی جریان بدون گران‌روی یک ابرشاره را دارد.

ایجاد و بررسی چنین حالت‌هایی معمولاً دشوار است؛ زیرا رفتارهای کوانتومی در بسیاری از سامانه‌ها تنها در دماهای بسیار پایین آشکار می‌شوند. اما پژوهشگران در آزمایش اخیر جدید توانستند با استفاده از ترکیبی از نور و ماده، رفتار ابرجامد را در دمای اتاق مشاهده کنند.

پژوهشگران برای انجام آزمایش از ساختاری بسیار کوچک به نام «ریزحفره» استفاده کردند که می‌تواند نور را در فضای محدودی نگه دارد. این ساختار از دو بخش اصلی تشکیل شده بود: کریستال مایعی که ویژگی‌های آن با تغییر ولتاژ کنترل می‌شود و نیمه‌رسانایی آلی که برهم‌کنش شدیدی با نور دارد.

در آزمایش جدید، این چگالش ساختاری منظم و راه‌راه پیدا کرد و هم‌زمان نشانه‌هایی از رفتار ابرشاره‌ای را نشان داد. ترکیب این دو ویژگی، همان چیزی است که پژوهشگران برای شناسایی حالت ابرجامد به دنبال آن بودند.

یکی از مهم‌ترین بخش‌های آزمایش، مشاهده نوارهای منظمی بود که در ساختار کوانتومی شکل گرفتند. با هر بار تاباندن پالس لیزری، حالت کوانتومی دوباره ایجاد می‌شد؛ اما نوارها هر بار در موقعیت اندکی متفاوت قرار می‌گرفتند.

تغییر یادشده به پژوهشگران نشان داد که الگوهای مشاهده‌شده صرفاً بر اثر شکل تجهیزات آزمایش به وجود نیامده‌اند، بلکه نتیجه رفتار طبیعی خود سامانه کوانتومی هستند. دانشمندان این پدیده را «شکست خودبه‌خودی تقارن» می‌نامند؛ یعنی سامانه از میان چند حالت ممکن و هم‌ارزش، به‌طور خودبه‌خودی یکی را انتخاب می‌کند.

پژوهشگران همچنین نقص‌هایی شبیه گردابه را در الگوهای راه‌راه مشاهده کردند که نشانه دیگری از رفتار ابرشاره‌ای بود.

البته این حالت کوانتومی عمر بسیار کوتاهی داشت و تا مدت کوتاهی پس از هر پالس لیزری باقی می‌ماند. مواد مورد استفاده نیز به‌مرور تخریب می‌شدند و پژوهشگران برای تکرار برخی اندازه‌گیری‌ها مجبور بودند نمونه‌های جدیدی بسازند. بااین‌حال، آزمایش روی چند نمونه مختلف نتایج مشابهی داشت و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری نیز از یافته‌ها پشتیبانی کرد.

بسیاری از آزمایش‌های مربوط به حالت‌های غیرمعمول کوانتومی به تجهیزات گران‌قیمت سرمایشی نیاز دارند. این مسئله مطالعه و استفاده عملی از چنین پدیده‌هایی را دشوار می‌کند.

دستاورد جدید همچنین می‌تواند در بلندمدت برای توسعه فناوری‌هایی مانند حسگرهای کوانتومی و سامانه‌های محاسباتی مبتنی بر نور مفید باشد.

البته پژوهش هنوز در مرحله آزمایشگاهی قرار دارد. حالت ابرجامد ایجادشده دوام بسیار کوتاهی دارد و دانشمندان باید راهی برای افزایش پایداری آن پیدا کنند.

پژوهش در ژورنال Science Advances منتشر شده است.