کشف نوع جدیدی از ذرات زیراتمی؛ اکسایتون‌های کسری و آینده فناوری کوانتومی

1

فیزیک کوانتومی همیشه مایه سردرگمی بوده است. ذرات ریز رفتارهایی از خود نشان می‌دهند که قوانین معمول طبیعت را زیر پا می‌گذارد و همین امر سناریوهای شگفت‌انگیزی را پیش روی دانشمندان قرار می‌دهد؛ سناریوهایی که دهه‌هاست فیزیک‌دانان را مجذوب خود کرده و گاهی منجر به بحث‌هایی درباره چگونگی تأثیر این عجایب زیراتمی بر مرزهای فناوری آینده شده‌اند.

بارهای کسری؛ نگاهی به منطق شکسته

یکی از حوزه‌های جالب در این زمینه، رفتار بارهایی است که به صورت کسر ظاهر می‌شوند، پدیده‌ای که کاملاً خلاف منطق کلاسیک است. دانشمندان سال‌هاست که به بررسی این ویژگی‌های عجیب مشغولند تا شاید بتوانند دیدگاه‌های جدیدی درباره نحوه ذخیره و پردازش اطلاعات به دست آورند.

رفتار غیرمنتظره‌ی زیراتمی زیر ذره‌بین

در تحقیق جدیدی به رهبری جیا لی از دانشگاه براون، دانشمندان روی رفتارهای غیرعادی ذرات زیراتمی متمرکز شدند. آن‌ها به بررسی حالت‌های کوانتومی پرداختند که در آن‌ها ذرات حامل بار با مقادیر صحیح و معمول هم‌راستا نبودند؛ چیزی که احتمال وقوع پدیده‌ای بی‌سابقه را نشان می‌دهد.

اثر هال کوانتومی و ایجاد بارهای کسری

سال‌هاست که می‌دانیم اثر کوانتومی هال می‌تواند باعث شود الکترون‌ها بارهایی با مقادیر کسری به خود بگیرند. این مشاهده نظریه‌ی سنتی که بار الکتریکی باید غیرقابل تقسیم باشد را به چالش کشید.

در ادامه، مفهوم “انیون” مطرح شد؛ ذراتی که ویژگی‌هایی میان بوزون‌ها و فرمیون‌ها دارند. برخی از این انیون‌ها دارای بارهای کسری هستند، اما گروه تحقیقاتی دانشگاه براون به پدیده‌ای فراتر رسیدند: مشاهده‌ی اکسایتون‌هایی با ویژگی‌های ترکیبی که در هیچ‌یک از طبقه‌بندی‌های فعلی نمی‌گنجند.

اکسایتون‌ها با بارهای جزئی

اکسایتون یک حالت پیوندی میان الکترون و یک “حفره‌ی” با بار مثبت است که معمولاً خنثی در نظر گرفته می‌شود. در شرایط عادی، این زوج‌ها رفتاری مشابه بوزون دارند و می‌توانند بدون محدودیت در یک حالت کوانتومی تجمع یابند.

اما در این مطالعه‌ی جدید، برخی از این زوج‌ها ویژگی‌های کسری از خود نشان دادند؛ تغییری غیرمنتظره که چارچوب فعلی درک ما از بوزون‌ها را زیر سؤال می‌برد. این تغییر ممکن است دیدگاه ما نسبت به اکسایتون‌ها را، به‌ویژه در شرایطی که بارها به اجزای کسری تقسیم می‌شوند، دگرگون کند.

اکسایتون‌های کسری؛ احتمال کشف نوع جدیدی از ذرات

به‌گفته‌ی محققان، این رفتار غیرمنتظره می‌تواند نشان‌دهنده ظهور نوعی کاملاً جدید از ذرات باشد: اکسایتون‌های کسری که ویژگی‌های منحصر به فرد کوانتومی دارند. چنین ذراتی ممکن است الگوهای جدیدی از هم‌جوشی زیراتمی را آشکار کنند که پیش‌تر غیرقابل تصور بودند.

این ذرات، با ترکیب بارهای جزئی در یک بسته، از مرزهای مرسوم فیزیک کوانتومی فراتر می‌روند. همچنین، ممکن است مسیرهای جدیدی برای تحقیق در حوزه‌ مدارهای کوانتومی و پردازش داده‌ها با ویژگی‌های هیبریدی باز کنند.

پتانسیل در محاسبات کوانتومی

هدف محاسبات کوانتومی استفاده از حالت‌های شکننده و خاص زیراتمی برای پردازش داده با سرعت و بهره‌وری فراتر از دستگاه‌های کنونی است. اگر رفتار کسری قابل کنترل باشد، می‌تواند روشی مقاوم‌تر برای کدگذاری و بازیابی اطلاعات ارائه دهد.

برخی دانشمندان معتقدند این اکسایتون‌های عجیب ممکن است در ساختارهایی مفید باشند که خطاهای رایج در محاسبات کوانتومی را کاهش می‌دهند. پایایی این بارهای جزئی، در صورت تحقق، می‌تواند اطلاعات کوانتومی را برای مدت طولانی‌تری حفظ کند.

پیوند نظریه و آزمایش

در گذشته فرض شده بود که اکسایتون‌های ساخته‌شده از بارهای کسری می‌توانند نظم‌های کوانتومی عجیب‌وغریبی را نشان دهند. اما اثبات عملی آن دشوار بود؛ تا اینکه گروه دانشگاه براون با استفاده از ابزارهای پیشرفته و تنظیم دقیق شرایط، موفق شدند حضور این اکسایتون‌های کسری را به‌طور مستقیم ثبت کنند.

این دستاورد نشان می‌دهد نظریه و آزمایش در حال همگرایی هستند و این پدیده می‌تواند پلی باشد میان مفاهیم میدان کوانتومی و الکترونیک روزمره.

پایداری ذرات کسری؛ پرسش‌های بی‌پاسخ

سؤالات بسیاری هنوز باقی مانده است؛ از جمله اینکه این اکسایتون‌های کسری تا چه مدت پایدار باقی می‌مانند و آیا در دماهای معتدل‌تر هم قابل مشاهده‌اند یا خیر. بررسی این نکات می‌تواند مسیر اتصال عجایب کوانتومی به دستگاه‌های آینده را روشن‌تر کند.

برخی ناظران گمان می‌کنند که شاید این اکسایتون‌ها بتوانند با حالت‌های انیونی ویژه در مواد دوبعدی جفت شوند. اگر بتوان این تعاملات را هدایت کرد، شاید راهی برای شکل‌دادن به نسل آینده‌ی الکترونیک پدید آید.

تأثیر بر آینده‌ی فناوری و فیزیک کوانتومی

برخی کارشناسان بر این باورند که این حالات عجیب اکسایتونی می‌توانند به حل چالش‌های محاسبات سریع و فناوری‌های حسگر کمک کنند. اکنون که مفاهیم کسری از تئوری وارد آزمایشگاه‌ها شده‌اند، یک گام دیگر به بهره‌برداری عملی از شگفتی‌های طبیعت در مقیاس نانو نزدیک‌تر شده‌ایم.

فراتر از کاربردهای فناورانه، این پدیده‌ها می‌توانند فیزیک بنیادی را نیز دگرگون کنند و شکلی جدید از ماده‌ی کوانتومی را پیشنهاد دهند. دانشمندان معتقدند که اکسایتون‌های کسری ممکن است بخشی از خانواده‌ای گسترده‌تر از پدیده‌های نوظهور باشند که کتاب‌های درسی فیزیک را به چالش می‌کشند.

در نهایت، این یافته‌ها بیشتر سؤال ایجاد می‌کنند تا پاسخ؛ اما همین رمز و راز است که فیزیک کوانتومی را جذاب می‌کند. هر مشاهده‌ی جدید، پرسش‌هایی تازه درباره‌ی جایگاه بارها، اکسایتون‌ها و حالت‌های پنهان در ساختار کلی هستی ایجاد می‌کند.

این مطالعه در ژورنال Nature منتشر شده است.