Scientists discover exotic quantum state of matter
كشف حالت كوانتومي شگفتانگيزي از ماده
اين تصاوير كه توسط دانشمندان دانشگاه پرينستون گرفته شدهاند، اولين تصوير مستقيم از طرح حركتهاي موزون الكترونها در لبهي بلور بيسموت- آنتيموان را نشان ميدهد كه براي اثر كوانتومي هال عايق است (بالا). طرح كلي و تصوير ديگري كه توزيع الكترونها را در سه بعد نشان ميدهد(وسط) و طرح كلي و تصويري كه توزيع دوبُعدي الكترونها را نشان ميدهد. (پايين)
گروهي از دانشمندان دانشگاه پرينستون دريافتهاند كه يكي از چشمگيرترين پديدههاي فيزيك ماده چگال، موسوم به اثر كوانتومي هال ميتواند به صورتي در طبيعت رخ دهد كه قبلاً مشاهده نشده است.
در شمارهي 24 آوريل مجلهي نيچر، دانشمندان اين رفتار عجيب الكترونها را در بلور بسيموت- آنتيموان بدون هيچ ميدان مغناطيسي خارجي مشاهده كردهاند. اين كار كه اهميتي بنيادي دارد، ممكن است به توسعهي نوع جديدي از ابزارهاي محاسباتي كوانتومي سريع «اسپنيترونيك»[1] بينجامد كه در فناوريهاي الكترونيكي آينده مورد استفاده قرار ميگيرند.
زاهد حسن[2] استاديار فيزيك و رهبر اين گروه با استفاده از روش مبتني بر شتابدهندهي موسوم به «طيف نمايي فوتو-الكترون» و هدايت فرتونهاي پرتو X به سطح بلور متوجه اين اثر شده است. اثر كوانتومي هال قبلاً فقط در لايههاي بسيار نازك به ضخامت اتم در مواد غيررسانا و در ميدانهاي مغناطيسي خارجي بسيار قوي مشاهده شده بود. دانشمنداني كه در پي به دست آوردن شناخت عميق از چگونگي حركت الكترونها بودند، مواد را در اين شرايط حدي قرار ميدادند.
رفتار الكترونهاي باردار در ميدان مغناطيسي شبيه حركت ابري از پشهها در باد مخالف است. در مادهاي رسانا مانند مس، باد مخالف مغناطيسي الكترونها را به طرف لبهها ميراند و ولتاژ الكتريكي درجهت اين باد- و عمود بر جهت جريان بار- افزايش مييابد. اين اثر غيرمنتظره را ادوين هال[3] در سال 1879 كشف كرد. اثر هال ابزار استاندارد براي ارزيباي مقدار بار موجود در مواد الكتريكي در آزمايشگاههاي سراسر جهان است.
در سال 1985 كلاوس فو كليتسينگ [4] فيزيكدان آلماني اثر هال را با ابزارهاي جديد بررسي كرد. او الكترونها را در لايهي نازكي به ضخامت اتم محدود و آن را در ميدانهاي مغناطيسي قوي تا نزديكي صفر مطلق سرد كرد. وي متوجه شد با الكترونهايي كه بدين ترتيب وادار به حركت در صفحه شده بودند، ولتاژ به جاي اين كه طبق روال اثر هال اندكاندك افزايش يابد، به صورت گسسته تغيير ميكند. فون كليتسينگ متوجه شد وقتي الكترونها دور هم جمع شوند، رفتاري غيرعادي از خود نشان ميدهند. اين كار جايزهي نوبل فيزيك سال 1985 را برايش به ارمغان آورد.
اندكي پس از فون كليتسينگ، دانيل دزويي [5] (اكنون در پرينستون) و هورست استورمر[6] از آزمايشگاه بل آزمايشهاي مشابهي انجام دادند. آنها با استفاده از لايههاي غيررساناي بسيار خالص كه تا حوالي صفر مطلق سرد شده بود و قرار دادن آن در قويترين آهنرباي جهان در سال 1982 متوجه چيز جديدي شدند. به نظر ميرسيد الكترونهاي موجود در لايههاي نازك به ضخامت اتم در «تعاون» با يكديگر چيز جديدي را بهوجود ميآورند كه دانشمندان آن را «شاره كوانتومي» مينامند كه حالت نادري است كه در آن الكترونها با رفتار يكسان و همگام با هم به گونهاي عمل ميكنند كه بيشتر شبيه سوپ است تا واحدهاي مستقل چرخان.
ذرات چرخان مستقل
رابرت لافلين [7] (اكنون در دانشگاه استانفورد)، پس از يك سال تفكر مدلي را ابداع كرد كه به شبيه توفان در دريا بود و در آن نيروي باد مغناطيسي و الكترونهاي اين «شاره كوانتومي» بدون تغيير ماهيت، پديدههاي جديد متشكل از امواج و گردبادها را بهوجود آوردند. لافلين به سادگي نشان داد كه در ميدان مغناطيسي قوي، الكترونها با چگاليده شدن شارهاي كوانتومي را بهوجود ميآورند كه شبيه شارههاي كوانتومي در اَبَررسانايي و هليم مايع است.
دزويي، استورمر، ولدفلين براي اين كارهاي خود برندهي جايزهي نوبل فيزيك سال 1898 شدند.
اخيراً، چارلز كين [8] نظريهپرداز و گروهش در دانشگاه پنسيلوانيا مشغول كار روي مدلي هستند كه پيشبيني ميكند الكترونها در شرايط ويژهاي از حركتمداري واسپين حتي در غياب ميدان مغناطيسي خارجي شارهي كوانتومي هال گونهاي را به وجود ميآورند. انتظار ميرود وقتي الكترونهاي اين مواد در شرايط خاصي از حركت مداري واسپين باشند، در سرعتهاي نزديك به سرعت نور و با پيروي از قانونهاي نسبيت، ميدانهاي مغناطيسي داخلي مربوط به خود را بهوجود آورند.
گروه حسن در جستوجوي اين رفتار شگفتانگيز الكترون تصميم گرفت براي اندازهگيري اثر كوانتومي هال فراتر از روشهاي متداول بروند. آنها بلور بيسموت- انتيموان سه بُعدي را در معرض فوتونهاي فوقالعاده سريع پرتو X قرار دادند و تصويرهاي مستقيمي از طرح حركتهاي موزون الكترونها در لبههاي نمونه گرفتند. سپس با تحليل اين طرحها در سطح ماده، رفتار كوانتومي هال را در تودهي ماده مشخص كردند. كين اين كار را بسيار مهم توصيف ميكند و عقيده دارد كه راهگشاي گسترهي وسيعي از مطالعات در آينده خواهد بود. تصاوير بهدست آمده اولين دليل مستقيم براي رفتار كوانتومي هال گونه بدون ميدان مغناطيسي خارجي است.
به گفتهي حسن «پديدهي هيجانانگيز در اين روش جديد نگريستن به رفتار كوانتومي هال گونه آن است كه ميتوان تصوير الكترونها را در لبههاي نمونه به دست آورد. اين كار قبلاً انجام نشده بود. اين نگاه مستقيم گستردهي وسيعي از امكانات انجام پژوهش در رفتار كوانتومي هال ماده را دراختيار ميگذارد.