دستیابی به منبع های انرژی بی‌نهایت با «حالت لبه» در اتم‌ها_صبح سریع

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

این پیشرفت در عرصه فیزیک کوانتومی می‌تواند تبدیل کشف منبع های 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 مانع ها سُر بخورند، چون 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 مقدور کند و به گسترش مدارهای الکترونیکی و رایانه‌های کوانتومی بسیار 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) نظر کرد که در برخی از مواد دو بعدی در دماهای زیاد پایین و تحت میدان‌های مغناطیسی قوی، جریان الکتریکی در امتداد لبه‌ها به طور کوانتیزه شده جریان می‌یابد. این اتفاق «تاثییر هال کوانتومی» نامیده می‌شود.

این اتفاق ربط نزدیکی با حالت لبه الکترون‌ها دارد، چون در موادی که تاثییر هال کوانتومی را نشان خواهند داد، الکترون‌ها در داخل قفل می باشند و قادر به هدایت الکتریسیته نیستند. با این حال، آنها اغاز به حرکت در یک خط مستقیم در سراسر لبه‌های مواد می‌کنند و «حالت لبه» را راه اندازی خواهند داد.

در «حالت لبه»، الکترون‌ها پراکنده نمی‌شوند و حتی اگر مانعی در مسیر آنها وجود داشته باشد، به حرکت در سراسر مرز ماده ادامه خواهند داد. این جریان صاف و پایدار از الکترون‌ها در حالت‌های لبه علتایجاد جریان‌های هال می‌شود که مسئول «تاثییر هال کوانتومی» می باشند.

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

ریچارد فلچر(Richard Fletcher) یکی از نویسندگان این مطالعه و استادیار فیزیک در MIT می‌گوید: دیدن آنها واقعاً اتفاقات خاصی است، چون 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.

به این علت آیا این بدان معناست که هیچ راهی برای مشاهده و مهار قوت حالت‌های لبه وجود ندارد؟ محققان MIT به قدر کافی باهوش بودند که راه حل جالبی برای این مشکل اشکار 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.

چطور اتم‌ها می‌توانند حرکت شبیهی از خود نشان دهند؟

نویسندگان مطالعه فکر کردند که اگر الکترون‌های برخی مواد بتوانند داخل «حالت لبه» شوند، به گمان زیادً اتم‌ها نیز می‌توانند همین کار را انجام بدهند. به این علت آنها تصمیم گرفتند اتم‌هایی را تحت شرایط شبیهی که علتایجاد «حالت لبه» در الکترون‌ها خواهد شد، مشاهده کنند.

آنها یک میلیون اتم سدیم را با منفعت گیری 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 همانند 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 تلاش می‌کند آنها را به بیرون بفرستد. این دو نیرو یکدیگر را متعادل می‌کنند، به این علت اتم با وجود این که در حال چرخش است، فکر می‌کند در یک فضای مسطح زندگی می‌کند.

او گفت: نیروی سومی نیز وجود دارد که تاثییر کوریولیس(Coriolis effect) نامیده می‌شود و بر تاثییر آن اگر اتم‌ها بخواهند در یک خط حرکت کنند، منحرف خواهد شد. به این علت این اتم‌ها طوری حرکت می‌کنند که انگار الکترون‌هایی می باشند که در یک میدان مغناطیسی زندگی می‌کنند.

سپس محققان از نور لیزر حلقه‌ای فرد دیگر برای راه اندازی یک لبه دایره‌ای در اطراف اتم‌های در حال چرخش منفعت گیری کردند و در کمال شگفتی، اتم‌ها اغاز به حرکت در امتداد لبه در یک خط کردند و حالت‌های لبه همانند به آنچه در رابطه 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 افت سرعتی وجود ندارد و هیچ اتمی نشت نمی‌کند یا پراکنده نمی‌شود. فقط یک جریان قشنگ و منسجم وجود دارد.

محققان این چنین 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 این چنین تصاویری را ثبت کردند. در آزمایش‌های آینده، آنها تصمیم دارند این حالت لبه را در برابر مانع ها بیشتری آزمایش کنند.

محققان می‌گویند امیدواریم این نتایج به گسترش تکنیک‌های زیاد کارآمد داده و انتقال انرژی در آینده پشتیبانی کند.

این مطالعه در مجله Nature Physics انتشار شده است.