الکترون‌های قانون‌گریز در بزرگراه یک‌طرفه کوانتوم
به گزارش ستاد ارتباطات و ترویج بنیاد علم و فناوری مصطفی(ص)،اگر به دنیای اطرافمان نگاهی بیندازیم، در نگاه اول، به نظر می‌رسد که جدول تناوبی عناصر (جدول مندلیف) کامل‌ترین راه برای دسته‌بندی مواد اطراف ما باشد. این جدول، زیربنای علم شیمی و درک ما از مواد را تشکیل می‌دهد. اما اگر عمیق‌تر نگاه کنیم، متوجه می‌شویم که این تنها سطحی‌ترین لایه از واقعیت فیزیکی است .جدول تناوبی، در نهایت، از اتم‌ها و پیوندهای بین آن‌ها تشکیل شده است؛ اما خود این اتم‌ها از چه چیزی ساخته شده‌اند؟
برای پاسخ به این پرسش، باید به مدل بنیادی‌تری از ساختار جهان رجوع کنیم: مدل استاندارد ذرات بنیادی .در مدل استاندارد، ماده نه تنها از الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها، بلکه از ساختارهای بنیادی‌تری به نام کوارک‌ها و لپتون‌ها تشکیل شده است. این ذرات -که در سه نسل طبقه‌بندی می‌شوند -پایه‌گذار همه چیزهایی هستند که در جهان می‌بینیم: از کهکشان‌های عظیم گرفته تا کوچک‌ترین سلول‌های زنده.
اگر این مدل را از دیدگاه بنیادی‌تر بررسی کنیم، متوجه می‌شویم که تمام ذراتی که ما می‌شناسیم، در دو دسته اصلی قرار می‌گیرند: فرمیون‌ها و بوزون‌ها .بوزون‌ها، همان حاملان نیرو هستند؛ مانند فوتون که نیروی الکترومغناطیسی را منتقل می‌کند و گلوئون که پروتون‌ها و نوترون‌ها را در کنار هم نگه می‌دارد. اما دسته مهم‌تر برای ساختار ماده، فرمیون‌ها هستند. فرمیون‌ها، ذراتی هستند که ساختار اصلی ماده را تشکیل می‌دهند. کوارک‌ها که پروتون‌ها و نوترون‌ها را تشکیل می‌دهند و الکترون که مدارهای اتمی را شکل می‌دهد، همگی فرمیون هستند.
ویژگی منحصربه‌فرد فرمیون‌ها -که آن‌ها را از بوزون‌ها متمایز می‌کند- اصل طرد پائولی است. این اصل می‌گوید که دو فرمیون نمی‌توانند در یک حالت کوانتومی یکسان قرار بگیرند. این قانون ساده، دلیل اصلی ساختار لایه‌ای الکترون‌ها در اتم‌ها، تشکیل مواد جامد و در نهایت، شکل‌گیری جهان به صورتی است که می‌شناسیم. اگر اصل طرد پائولی وجود نداشت، تمام الکترون‌ها درون اتم‌ها در یک سطح انرژی می‌نشستند و دیگر هیچ ساختاری شبیه به مواد جامد، مولکول‌ها و حیات وجود نداشت.
از میان انواع مختلف فرمیون‌ها، نوعی خاص به نام فرمیون‌های ویل وجود دارد که نه تنها در مدل استاندارد اهمیت دارند، بلکه در دنیای فیزیک ماده چگال نیز نقش ویژه‌ای ایفا می‌کند. این ذرات که ابتدا در نظریه‌های بنیادی به‌عنوان ذرات بدون جرم پیشنهاد شدند، در دنیای مواد کوانتومی به‌صورت شبه‌ذره ظاهر می‌شوند و خواص عجیبی مانند قوس‌های فرمی، جریان‌های کایرال و اثرات مغناطیسی غیرعادی را نشان می‌دهند.
کشف و مطالعه فرمیون‌های ویل به ما این امکان را داده است که فیزیک ذرات را در مقیاسی فراتر از شتاب‌دهنده‌های ذرات و در محیط‌های جامد بررسی کنیم. این کشف، پلی میان فیزیک انرژی‌های بالا و فیزیک ماده چگال است و می‌تواند به توسعه فناوری‌های جدید مانند رایانش کوانتومی کمک کند.
فرمیون‌های ویل ذراتی هستند که توسط معادله ویل توصیف می‌شوند. این معادله، نسخه بدون جرم از معادله دیراک است. ویژگی کلیدی این معادله، طبیعت کایرال آن است؛ یعنی فرمیون‌های ویل یا چپ‌گردند یا راست‌گرد، و این دو دسته از یکدیگر مستقل باقی می‌مانند مگر اینکه جرمی برای آن‌ها تعریف شود. یکی دیگر از ویژگی‌های منحصربه‌فرد نیمه‌فلزات ویل، وجود گره‌های ویل در فضای تکانه است. این نقاط، محل‌هایی هستند که در آن‌ها نوارهای انرژی (شامل باندهای ظرفیت و رسانایی) به هم می‌رسند و به‌عنوان تک‌قطبی‌های توپولوژیکی در فضای بریعمل می‌کنند. در نتیجه، این مواد دارای قوس‌های فرمی در سطح خود هستند که یکی از امضاهای تجربی آن‌ها محسوب می‌شود.
یکی از مهم‌ترین اثرات فیزیکی که در فرمیون‌های ویل مشاهده شده، ناهنجاری کایرال است. این پدیده، که اولین بار در نظریه میدان‌های کوانتومی پیش‌بینی شد، بیان می‌کند که در حضور میدان الکتریکی و مغناطیسی موازی، تعداد فرمیون‌های چپ‌گرد و راست‌گرد دیگر پایسته نمی‌ماند. این امر منجر به یک پدیده قابل‌مشاهده در نیمه‌فلزات ویل می‌شود: مقاومت الکتریکی آن‌ها در حضور میدان مغناطیسی کاهش می‌یابد؛ برخلاف مواد معمولی که در این شرایط، مقاومتشان افزایش می‌یابد. این مقاومت منفی مغناطیسی یکی از آزمایش‌های کلیدی برای تأیید وجود فرمیون‌های ویل در مواد جامد بود. این پدیده برای اولین بار در نیمه‌فلز ویل تانتالیوم آرسنید (TaAs) و نیوبیوم آرسنید (NbAs) مشاهده شد و به‌عنوان یکی از آزمایش‌های کلیدی برای تأیید وجود فرمیون‌های ویل مورد استفاده قرار گرفت.
داستان کشف نیمه‌فلزات ویل: فرار فرمیون‌های سرکش از زندان فیزیک
در جهانی که فیزیک بر همه چیز حکومت می‌کرد، قانونی نانوشته برای ذرات وجود داشت: یا ماده باش، یا نیرو! همه ذرات جهان، از این قانون پیروی می‌کردند. الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها در چارچوب قوانین منظم در کنار هم بودند و فوتون‌ها، گلوئون‌ها و بوزون‌های دیگر هم نقش حاملان نیرو را بر عهده داشتند.
اما در گوشه‌ای از این جهان، فرمیون‌های ویل ذراتی بودند که از هیچ قانونی پیروی نمی‌کردند. آن‌ها نه به قید جرم تن می‌دادند، نه در ساختارهای متعارف ماده جا می‌گرفتند. موجوداتی بودند بی‌وزن و کایرال )یعنی فقط در یک جهت می‌دویدند و هیچ راه برگشتی نداشتند! (به همین دلیل، دانشمندان همیشه فکر می‌کردند که این فرمیون‌های عجیب فقط در جهان ذرات بنیادی و در شتاب‌دهنده‌های عظیم زندگی می‌کنند.
اما روزی، پروفسور زاهد حسن و همکارانش تصمیم گرفتند به این معما پایان دهند. آیا ممکن بود این فرمیون‌های سرکش را در دنیای واقعی، در دنیای ماده، پیدا کرد؟
آن‌ها با استفاده از تکنیکی خاص به نام طیف‌سنجی فوتوالکترونی زاویه‌ای به بررسی ماده‌ای خاص به نام تانتالیوم آرسنید پرداختند. اگر نیمه‌فلزات ویل واقعاً وجود داشتند، باید در این ماده نشانه‌هایی از آن‌ها پیدا می‌شد .با تاباندن نور به سطح این ماده و اندازه‌گیری رفتار الکترون‌ها، ناگهان اتفاقی غیرمنتظره رخ داد؛ چیزی که جهان فیزیک را تکان داد :فرمیون‌های ویل، آزاد و رها، در این ماده در حال حرکت بودند!
آن‌ها مثل مسافران یک‌طرفه در بزرگراهی کوانتومی، بدون هیچ مانعی در فضا حرکت می‌کردند، مسیرهای منحنی عجیبی به نام قوس‌های فرمی در سطح ماده ایجاد کرده بودند و برخلاف تمام مواد شناخته‌شده، در میدان مغناطیسی، مقاومتشان به‌جای افزایش، کاهش می‌یافت!
انگار این فرمیون‌های سرکش بالاخره از زندان نظری فیزیک فرار کرده بودند و در دنیای ماده، برای خودشان قلمروی جدیدی ساخته بودند.
پیوند فیزیک ذرات و مواد چگال
کشف نیمه‌فلزات ویل، توانست میان فیزیک ذرات و مواد کوانتومی ارتباط ایجاد کند. همان‌طور که گفته شد، در سال ۲۰۱۵، زاهد حسن و همکارانش در دانشگاه پرینستون، در پژوهشی، موفق شدند نیمه‌فلزات ویل را به‌عنوان پدیده‌ای واقعی در مواد جامد شناسایی کنند. در واقع، پیش از آن، فیزیک‌دانان از فرمیون‌های ویل فقط به‌عنوان موجوداتی نظری یاد می‌کردند که در دنیای ذرات بنیادی وجود دارند. این موفقیت، نه تنها یک پیشرفت علمی بزرگ بود، بلکه نشان داد که حتی تئوری‌های پیچیده فیزیک انرژی‌های بالا می‌توانند راهی به سوی نوآوری‌های دنیای واقعی باز کنند. کشف نیمه‌فلزات ویل، فصل جدیدی از کتاب تاریخ فیزیک است که در آن، فیزیک ذرات و مواد چگال نه‌تنها به هم نزدیک شدند، بلکه به یکدیگر پیوند خوردند.
