دستیابی به منابع انرژی بی‌نهایت با «حالت لبه» در اتم‌ها

در برخی مواد، الکترون‌ها به قدرت فوق العاده‌ای دست می‌یابند که در امتداد لبه‌ها جریان دارند. حالا یک مطالعه جدید نشان می‌دهد که اتم‌ها نیز می‌توانند رفتار مشابهی با الکترون‌ها از خود نشان دهند.

به گزارش ایسنا، پژوهشگران موسسه فناوری ماساچوست(MIT) تصاویری از یک «حالت لبه»(edge state) نادر در اتم‌های فوق سرد را مشاهده و ضبط کرده‌اند. آنها با استفاده از این یافته‌ها می‌توانند بیاموزند که به حالت‌های لبه الکترون‌ها در مواد مختلف دست یابند و آنها را مهار کنند.

این پیشرفت در زمینه فیزیک کوانتومی می‌تواند منجر به کشف منابع انرژی بی‌نهایت شود.

«حالت لبه» در الکترون‌ها موقعیت خاصی است که در آن الکترون‌ها در امتداد مرزها یا لبه‌های مواد خاص و نه از وسط آنها حرکت می‌کنند.

 نویسندگان این مطالعه می‌گویند: در این «حالت لبه» نادر، الکترون‌ها می‌توانند بدون اصطکاک جریان داشته باشند و بدون زحمت در اطراف موانع سُر بخورند، زیرا به جریان متمرکز بر محیطی خود می‌چسبند.

این حرکت بدون اصطکاک الکترون‌ها می‌تواند انتقال داده و انرژی را در سراسر دستگاه‌ها بدون هیچ گونه تلفات انتقالی امکان‌پذیر کند و به توسعه مدارهای الکترونیکی و رایانه‌های کوانتومی فوق‌العاده کارآمد منجر شود.

دستیابی به حالت لبه در الکترون‌ها آسان نیست

در سال ۱۹۸۰، یک فیزیکدان آلمانی به نام کلاوس فون کلیتسینگ(Klaus von Klitzing) پیشنهاد کرد که در برخی از مواد دو بعدی در دماهای بسیار پایین و تحت میدان‌های مغناطیسی قوی، جریان الکتریکی در امتداد لبه‌ها به صورت کوانتیزه شده جریان می‌یابد. این پدیده «اثر هال کوانتومی» نامیده می‌شود.

این پدیده ارتباط نزدیکی با حالت لبه الکترون‌ها دارد، زیرا در موادی که اثر هال کوانتومی را نشان می‌دهند، الکترون‌ها در داخل قفل هستند و قادر به هدایت الکتریسیته نیستند. با این حال، آنها شروع به حرکت در یک خط مستقیم در سراسر لبه‌های مواد می‌کنند و «حالت لبه» را تشکیل می‌دهند.

در «حالت لبه»، الکترون‌ها پراکنده نمی‌شوند و حتی اگر مانعی در مسیر آنها وجود داشته باشد، به حرکت در سراسر مرز ماده ادامه می‌دهند. این جریان صاف و پایدار از الکترون‌ها در حالت‌های لبه باعث ایجاد جریان‌های هال می‌شود که مسئول «اثر هال کوانتومی» هستند.

با این حال، برای دانشمندان تقریبا غیرممکن است که حالت لبه الکترون‌ها را مشاهده کنند، زیرا در کسری از زمان رخ می‌دهد.

ریچارد فلچر(Richard Fletcher) یکی از نویسندگان این مطالعه و استادیار فیزیک در MIT می‌گوید: دیدن آنها واقعاً رویداد خاصی است، زیرا این حالت‌ها در مقیاس فمتوثانیه و در فضایی به اندازه کسری از یک نانومتر اتفاق می‌افتند که به شکلی باورنکردنی به سختی می‌توان آنها را ثبت و مشاهده کرد.

بنابراین آیا این بدان معناست که هیچ راهی برای مشاهده و مهار قدرت حالت‌های لبه وجود ندارد؟ محققان MIT به اندازه کافی باهوش بودند که راه حل جالبی برای این مشکل پیدا کنند.

آنها به جای تلاش برای گرفتن حالت‌های لبه الکترون‌ها، روی اتم‌ها تمرکز کردند و آزمایشی را انجام دادند که به آنها اجازه داد «حالت لبه» را در مقیاس بزرگتر مشاهده کنند.

چگونه اتم‌ها می‌توانند رفتار مشابهی از خود نشان دهند؟

نویسندگان مطالعه فکر کردند که اگر الکترون‌های برخی مواد بتوانند وارد «حالت لبه» شوند، احتمالاً اتم‌ها نیز می‌توانند همین کار را انجام دهند. بنابراین آنها تصمیم گرفتند اتم‌هایی را تحت شرایط مشابهی که باعث ایجاد «حالت لبه» در الکترون‌ها می‌شوند، مشاهده کنند.

آنها یک میلیون اتم سدیم را با استفاده از لیزرهای کنترل شده به دام انداختند و آنها را تا دمای تقریبا صفر مطلق خنک کردند. سپس یک تله لیزری ساختند که اتم‌ها را شبیه به چرخش مردم به دور خانه خدا در مکه به دور خود بچرخانند.

فلچر می‌گوید: این تله تلاش می‌کند اتم‌ها را به سمت داخل بکشد، اما نیروی گریز از مرکز وجود دارد که سعی می‌کند آنها را به بیرون بفرستد. این دو نیرو یکدیگر را متعادل می‌کنند، بنابراین اتم با وجود اینکه در حال چرخش است، فکر می‌کند در یک فضای مسطح زندگی می‌کند.

وی افزود: نیروی سومی نیز وجود دارد که اثر کوریولیس(Coriolis effect) نامیده می‌شود و بر اثر آن اگر اتم‌ها بخواهند در یک خط حرکت کنند، منحرف می‌شوند. بنابراین این اتم‌ها طوری رفتار می‌کنند که انگار الکترون‌هایی هستند که در یک میدان مغناطیسی زندگی می‌کنند.

سپس محققان از نور لیزر حلقه‌ای دیگری برای تشکیل یک لبه دایره‌ای در اطراف اتم‌های در حال چرخش استفاده کردند و در کمال تعجب، اتم‌ها شروع به حرکت در امتداد لبه در یک خط کردند و حالت‌های لبه شبیه به آنچه در مورد الکترون‌ها وجود دارد را نشان دادند.

مارتین زویرلین(Martin Zwierlein) یکی از محققان این تیم و استاد فیزیک در MIT می‌گوید: هیچ اصطکاکی وجود ندارد. هیچ کاهش سرعتی وجود ندارد و هیچ اتمی نشت نمی‌کند یا پراکنده نمی‌شود. فقط یک جریان زیبا و منسجم وجود دارد.

محققان همچنین موانعی را بر سر راه این اتم‌ها قرار دادند، اما نتوانستند حرکت اتم‌ها را کند یا مختل کنند.

آنها توانستند این حالت لبه اتم‌ها را برای چند میلی‌ثانیه مشاهده کنند و همچنین تصاویری را ثبت کردند. در آزمایش‌های آینده، آنها قصد دارند این حالت لبه را در برابر موانع بیشتری آزمایش کنند.

محققان می‌گویند امیدواریم این نتایج به توسعه تکنیک‌های بسیار کارآمد داده و انتقال انرژی در آینده کمک کند.

این مطالعه در مجله Nature Physics منتشر شده است.