تصاویر؛ ابرجامد نوری، دستاورد بزرگ کوانتومی؛ وقتی نور «منجمد» می‌شود

یشتر موادی که با آن‌ها سروکار داریم، در یکی از چهار حالت شناخته‌شده‌ی ماده قرار دارند: جامد، مایع، گاز یا پلاسما. اما وقتی دما به نزدیکی صفر مطلق می‌رسد، قوانین مکانیک کوانتومی وارد میدان می‌شوند و فازهای عجیبی از ماده را نمایان می‌کنند. یکی از این فازها، «ابرجامد» (Supersolid) است؛ حالتی که ساختار منظمی مانند یک جامد دارد، اما در عین حال می‌تواند مانند یک ابرمایع، بدون هیچ اصطکاکی جاری شود.

ایده‌ی ابرجامدها نخستین‌بار در دهه‌ی ۱۹۶۰ مطرح شد، اما این حالت عجیب تا سال ۲۰۱۷ و انجام آزمایش‌هایی با گازهای اتمی فراسرد، به‌صورت تجربی تأیید نشده بود. ایجاد چنین حالتی از ماده بسیار دشوار است؛ چرا که به سرمایی نزدیک به صفر مطلق و تنظیمات بسیار دقیق میان اتم‌ها نیاز دارد. اما حالا پژوهشگران نشان داده‌اند که حتی «نور» هم می‌تواند رفتاری شبیه به ابرجامد داشته باشد؛ کشفی که نه‌تنها درک ما از این فاز عجیب ماده را عمیق‌تر می‌کند، بلکه باعث تحولات بزرگی در حوزه‌های محاسبات کوانتومی، علم مواد و فناوری‌های فوتونیکی می‌شود.

ابرجامد (Supersolid) حالتی شگفت‌انگیز از ماده است که همزمان ویژگی‌های یک جامد بلوری و یک ابرشاره (Superfluid) را دارد. یعنی از یک سو، مانند یک کریستال معمولی، ساختاری منظم دارد، اما از سوی دیگر، برخلاف جامدات کلاسیک، می‌تواند بدون اصطکاک جریان پیدا کند. در فیزیک ماده چگال، ابرجامد به ماده‌ای گفته می‌شود که هم نظم فضایی دارد و هم ویژگی‌های ابرشاره‌ای از خود نشان می‌دهد.

این ویژگی‌ عجیب و به‌ظاهر متناقض، به‌دلیل ورود ماده به حالتی کوانتومی به‌نام چگالش بوز-اینشتین (Bose-Einstein Condensate یا BEC) رخ می‌دهد. چگالش بوز-اینشتین، نتیجه‌ی قوانین فیزیک کوانتوم است که تنها در دماهای فوق‌العاده پایین، نزدیک به صفر مطلق آشکار می‌شوند. در این شرایط، اتم‌ها هویت مستقل خود را از دست می‌دهند و در یک حالت کوانتومی جمعی قرار می‌گیرند.

تصور کنید قطعه‌ای یخ داشته باشید که همزمان هم سخت و منظم باشد و هم بتواند بدون هیچ مقاومتی از درون خودش عبور کند. این دقیقاً همان چیزی است که در یک ابرجامد رخ می‌دهد. اما این حالت عجیب چگونه به‌وجود می‌آید؟ برای درک آن، باید به دنیای ذرات کوانتومی و رفتار غیرمنتظره‌ی آن‌ها سفر کنیم.

فرض کنید برای یک مهمانی، یخچال را با انواع نوشیدنی‌هایی که در زمان‌های مختلف خریده‌اید، پر می‌کنید. پس از مدتی، تمام نوشیدنی‌ها به دمایی تقریباً یکسان می‌رسند.

حالا همین ایده را به دنیای فیزیک ببرید، اما این بار به جای نوشیدنی، اتم‌ها را داخل یخچال در نظر بگیرید. اگر بتوانید آن‌ها را تا دماهای فوق‌العاده پایین سرد کنید، اتفاق عجیبی می‌افتد: اتم‌ها وارد حالتِ چگالش بوز-اینشتین می‌شوند: یکی از عجیب‌ترین حالات ماده که ویژگی‌های منحصربه‌فردی دارد.

معمولاً ماده را در سه حالت جامد، مایع و گاز می‌بینیم و اگر دما به شدت افزایش یابد، پلاسما نیز به این فهرست اضافه می‌شود. با این حال، در دماهای بسیار نزدیک به صفر مطلق (یعنی منفی ۲۷۳٫۱۵ درجه سانتی‌گراد)، چگالش بوز-اینشتین به عنوان پنجمین حالت ماده ظاهر می‌شود.

با کاهش چشمگیر دما، انرژی جنبشی اتم‌ها افت می‌کند و حرکت آن‌ها تقریباً متوقف می‌شود. در این وضعیت، قوانین فیزیک کلاسیک دیگر قادر به توضیح رفتار ذرات نیستند و پدیده‌ها با استفاده از فیزیک کوانتوم توصیف می‌شوند.

هم‌دوسی کوانتومی؛ لحظه‌ تولد چگالش

این پدیده را ساتیندرا بوز، فیزیکدان هندی، در سال ۱۹۲۴ پیش‌بینی کرد. او نظریه‌ی خود را برای آلبرت اینشتین فرستاد و اینشتین با گسترش ایده‌ی او، پایه‌های نظری چگالش بوز-اینشتین را بنا نهاد. بااین‌حال، این پیش‌بینی برای ۷۰ سال تنها در حد یک نظریه باقی ماند.

درنهایت، در سال ۱۹۹۵، دو دانشمند آمریکایی، اریک کورنل و کارل وایمن، با سرد کردن گاز روبیدیوم تا نزدیکی صفر مطلق، موفق شدند این حالت را در آزمایشگاه ایجاد کنند. هم‌زمان، ولفگانگ کترله، فیزیکدان آلمانی، همین آزمایش را با اتم‌های سدیم انجام داد و نتایج مشابهی به‌دست آورد. این کشف، نقطه‌ عطفی در فیزیک کوانتوم بود و به‌همین‌دلیل، این سه دانشمند در سال ۲۰۰۱ جایزه‌ی نوبل فیزیک را برای این دستاورد تاریخی دریافت کردند.

سوال مهمی که ممکن است مطرح شود آن است که آیا ابرجامد را فقط می‌توان با اتم‌های فوق سرد ساخت؟ خیر، آخرین پژوهش‌های انجام شده نشان می‌دهند که نور هم می‌تواند به ابر جامد تبدیل شود.

حال، برای نخستین بار، دانشمندان موفق شده‌اند نور را به یک ابرجامد تبدیل کنند؛ دستاوردی شگفت‌انگیز که به‌عنوان نقطه‌ عطفی در فیزیک ماده‌ی چگال شناخته می‌شود. این پژوهش، که توسط تیمی از محققان بین‌المللی انجام شده است، نشان می‌دهد که نور، فراتر از آنچه تاکنون تصور می‌شد، می‌تواند به حالت جدیدی از ماده، ابرجامد، تبدیل شود.

همان‌طور که در بخش قبل توضیح دادیم، در دنیای فیزیک، مواد معمولاً در چهار حالت شناخته‌شده‌ی جامد، مایع، گاز و پلاسما، وجود دارند. اما در دماهای فوق‌العاده پایین، قوانین مکانیک کوانتوم بر رفتار ماده حاکم می‌شوند و حالات جدیدی مانند ابرجامدها ظاهر می‌شوند. تا پیش از این، دانشمندان تنها در شرایط آزمایشگاهی خاص، با استفاده از اتم‌های فوق‌سرد، موفق به تولید چنین موادی شده بودند. اما در این پژوهش، محققان رویکردی کاملاً متفاوت در پیش گرفتند.

آن‌ها به‌جای استفاده از اتم‌های سرد، از یک نیمه‌رسانا به‌نام آلومینیوم گالیوم آرسنید با شکاف‌های باریک استفاده کردند. سپس، پرتو لیزر را به سطح این نیمه‌رسانا تاباندند. برهم‌کنش بین لیزر و نیمه‌رسانا، باعث ایجاد ذرات ترکیبی به نام پولاریتون‌ها شد، که ترکیبی از نور (فوتون‌ها) و ماده (اکسایتون‌ها در نیمه‌رسانا) هستند.

اکسایتون (Exciton) را می‌توان به‌عنوان زوجِ الکترون-حفره در نیمه‌رسانا در نظر گرفت. پس از تابش فوتون (ذرات تشکیل‌دهنده‌ی نور) به سطح نیمه‌رسانا، یک الکترون با گرفتن انرژی کافی می‌تواند از مدار خود خارج شود و به مداری با سطح انرژی بالاتر برود. اما جای خالیِ الکترون، مانند ذره‌ای با بار مثبت رفتار می‌کند که به آن حفره (Hole) می‌گوییم.

تشکیل اکسایتون

ازآنجاکه الکترون و حفره، به‌دلیل بار الکتریکی مخالف، به سمت یکدیگر جذب می‌شوند، یک جفت تشکیل می‌دهند و به‌صورت ذره‌ای واحد رفتار می‌کنند. این سیستم، انرژی تحریک‌شده‌ای دارد و به‌همین‌دلیل به آن اکسایتون می‌گویند (Exciton از Excite به‌معنی تحریک گرفته شده است).

شکاف‌های دقیق طراحی‌شده روی نیمه‌رسانا، حرکت پولاریتون‌ها را محدود و شرایطی ایجاد کردند که آن‌ها بتوانند در یک ساختار منظم کنار هم قرار بگیرند. درنتیجه، این ذرات به‌ هم پیوسته، و حالتی را شکل دادند که هم نظم بلوری یک جامد را دارد و هم مانند یک ابرشاره، می‌تواند بدون هیچ اصطکاکی جریان داشته باشد؛ ویژگی‌ای که تاکنون تنها در مواد کوانتومی خاص دیده شده بود.

یکی از چالش‌های اساسی در این پژوهش، اثبات این موضوع بود که آیا ماده‌ی ساخته شده واقعاً تمام ویژگی‌های یک ابرجامد را دارد یا خیر. پژوهشگران باید نشان می‌دادند که این سیستم نه‌تنها ساختاری بلوری و منظم دارد، بلکه هم‌زمان می‌تواند بدون اصطکاک جریان داشته باشد. بررسی‌های دقیق نشان دادند که این ماده‌ی جدید هر دو ویژگی را دارد، و بنابراین، نخستین نمونه‌ی ابرجامدی محسوب می‌شود که کاملاً از نور تشکیل شده است.

برای درک بهتر اینکه چطور نور می‌تواند به یک ابرجامد تبدیل شود، تصور کنید وارد یک سالن سینمای شلوغ شده‌اید که فقط سه صندلی در ردیف اول دارد: یکی در وسط و دوتای دیگر در دو سر سالن. همه‌ی تماشاگران بهترین دید را از صندلی وسط دارند و به‌دنبال نشستن روی آن هستند. در دنیای کلاسیک، فقط یک نفر می‌تواند آن صندلی را اشغال کند؛ اما در دنیای کوانتومی، که در آن ذرات بوزونی تابع قواعد متفاوتی هستند، افراد (ذرات) می‌توانند همزمان روی یک صندلی بنشینند! این پدیده همان چیزی است که فیزیک‌دانان آن را «چگالش بوز–اینشتین» می‌نامند.

در آزمایش اخیر، پژوهشگران ساختاری از جنس آرسنید گالیوم طراحی کرده‌اند که حرکت فوتون‌ها (ذرات نور) را هدایت می‌کند. زمانی که فوتون‌ها وارد این بستر شدند، در ابتدا به‌طور پراکنده و نامنظم پخش می‌شدند. اما به‌مرور و با اضافه‌شدن فوتون‌های بیشتر، شروع به تشکیل چگالش در پایین‌ترین سطح انرژی کردند؛ درست مانند تماشاگرانی که کم‌کم به سراغ بهترین صندلی سالن در دنیای کوانتومی می‌روند.

اما درست همان‌طور که در یک سالن شلوغ، فشار جمعیت باعث می‌شود برخی تماشاگران به صندلی‌های اطراف بروند، در دنیای فوتون‌ها هم تعاملات بین آن‌ها باعث می‌شود برخی از ذرات نور به حالت‌های مجاور رانده شوند. این فرآیند که «پراکندگی پارامتریک» (Parametric Scattering) نام دارد، به تشکیل «چگالش‌های ماهواره‌ای» (Satellite Condensates) در نقاط خاصی از سیستم منجر می‌شود.

نتیجه‌ی این پدیده، شکل‌گیری الگویی تکرارشونده از چگالش‌ها است؛ ساختاری منظم که یادآور نظم اتمی یک جامد است. با این حال، این چگالش‌ها همچنان توانایی جاری‌شدن بدون اصطکاک را حفظ کرده بودند—در واقع، ترکیبی شگفت‌انگیز از نظم جامدگونه و رفتار سیال‌مانند. به این ترتیب، پژوهشگران توانستند برای نخستین‌بار، نمونه‌ای از یک ابرجامد نوری بسازند؛ حالتی از ماده که همزمان قوانین نظم و آزادی را به شکلی بی‌سابقه در آغوش می‌کشد.

تاکنون ابرجامدها عمدتاً در محیط‌های بسیار سرد و در بستر گازهای اتمی فراسرد مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، اما استفاده از فوتون‌ها، دروازه‌ای تازه به دنیای این فازهای عجیب و کوانتومی باز می‌کند. برخلاف سیستم‌های اتمی که به کنترل دمای بسیار دقیق و تعاملات ظریف بین ذرات نیاز دارند، پلتفرم‌های فوتونی امکان دستکاری آسان‌تر و مشاهده‌ی آنی را فراهم می‌کنند.

این دستاورد، فراتر از جذابیت نظری، پتانسیل‌های عملی قابل‌توجهی دارد: از رایانش کوانتومی گرفته تا ارتباطات نوری پیشرفته و حتی طراحی مواد نو با رفتارهای مهندسی‌شده‌ی کوانتومی. فوتون‌ها که اساس انتقال اطلاعات در سیستم‌های نوری هستند، با کنترل کوانتومی دقیق، می‌توانند به دروازه‌ای به سوی نسل جدید فناوری‌های پردازش سیگنال و انتقال اطلاعات کوانتومی تبدیل شوند.

همچنین این پژوهش بار دیگر بر اهمیت روزافزون مواد کوانتومی مهندسی‌شده تأکید می‌کند: سیستم‌هایی که برای بروز رفتارهای خاص کوانتومی، تحت شرایط دقیق طراحی می‌شوند. با ادامه‌ی اکتشاف در قلمرو ابرجامدهای نوری، ممکن است پژوهشگران به فازهای کاملاً جدیدی از ماده دست پیدا کنند و به درک عمیق‌تری از ماهیت بنیادین جهان برسند.