پژوهشگران آمریکایی اخیراً نظریه‌ای را مطرح کرده‌اند که بر اساس آن، در دسته خاصی از مواد موسوم به “فلزات عجیب”، الکترون‌ها هویت فردی خود را از دست داده و در یک “سوپ کوانتومی” بی‌شکل و یکپارچه ادغام می‌شوند. این یافته شگفت‌انگیز، نظریه مایع فرمی (Fermi liquid theory) را که برای 60 سال به عنوان نظریه جاافتاده هدایت الکتریکی در مواد جامد شناخته می‌شد، به چالش کشیده است.
این کشف مهم، که از طریق اندازه‌گیری‌های دقیق “نویز شات” به دست آمده است، نشان می‌دهد که الکتریسیته در این نوع فلزات عجیب بر خلاف تصورات پیشین، توسط بارهای مجزا حمل نمی‌شود. این بدان معناست که در این فلزات مرموز، مکانیسم انتقال بار الکتریکی به طور بنیادین با آنچه در فلزات معمولی رخ می‌دهد، متفاوت است و نیازمند بازنگری اساسی در درک ما از رفتار الکترون‌ها در مواد چگال می‌باشد. با دیجی رو همراه باشید.
چالش‌های وارد شده بر نظریه مایع فرمی
برای بیش از شش دهه، نظریه مایع فرمی به عنوان سنگ بنای درک چگونگی جریان الکتریسیته در فلزات عمل کرده است. این نظریه، که یکی از موفق‌ترین دستاوردهای فیزیک ماده چگال (شاخه‌ای از فیزیک که به مطالعه مواد جامد می‌پردازد) به شمار می‌رود، نحوه رفتار الکترون‌ها در فلزات معمولی را به خوبی تبیین می‌کند. پژوهشگران در یک بیانیه مطبوعاتی در این زمینه اظهار داشتند:
توضیح انتقال الکتریکی بر اساس نظریه مایع فرمی، یکی از موفقیت‌های بنیادین فیزیک ماده چگال است.
این نظریه بر این اصل استوار است که الکترون‌ها، علیرغم دافعه الکترواستاتیکی که بین آن‌ها وجود دارد، به صورت دسته‌هایی به نام “شبه‌ذرات” (Quasiparticles) حرکت کرده و به طور موثر بارهای مجزا را حمل می‌نمایند. به عبارت دیگر، در چارچوب نظریه مایع فرمی، جریان الکتریکی در فلزات معمولی ناشی از حرکت این بسته‌های مجزای بار الکتریکی است که رفتاری شبیه به ذرات منفرد دارند.
با این حال، در ادامه این بیانیه آمده است:
شگفت‌آور است که بسیاری از رساناهای جدید، که “فلزات عجیب” نامیده می‌شوند، از این الگو پیروی نمی‌کنند. در این مواد، الکتریسیته نه توسط بارهای مجزا، بلکه توسط چیز دیگری حمل می‌شود!
این یافته غیرمنتظره، سوالات اساسی را در مورد ماهیت هدایت الکتریکی در این مواد نوظهور مطرح می‌کند و نشان می‌دهد که نظریه مایع فرمی قادر به تبیین رفتار الکترون‌ها در تمامی مواد رسانا نیست. یکی از ویژگی‌های کلیدی این فلزات عجیب، رفتار غیرمعمول مقاومت الکتریکی آن‌هاست. در دماهای پایین، مقاومت الکتریکی آن‌ها به صورت خطی با دما تغییر می‌کند، در حالی که در فلزات معمولی، این تغییر به صورت یک تابع درجه دوم از دما مشاهده می‌شود. این تفاوت فاحش در رفتار مقاومتی، یکی از مهم‌ترین سرنخ‌هایی بود که دانشمندان را به بررسی دقیق‌تر این مواد و تلاش برای یافتن نظریه‌ای جایگزین برای نظریه مایع فرمی ترغیب کرد.
بهره‌گیری از تکنیک اندازه‌گیری “نویز شات”
برای بررسی این ناهنجاری، دانشمندان از تکنیکی به نام اندازه‌گیری “نویز شات” (Shot Noise) استفاده کردند. نویز شات، نوسانات تصادفی موجود در جریان الکتریکی را اندازه‌گیری کرده و از این طریق، ماهیت گسسته یا پیوسته حامل‌های بار الکتریکی را آشکار می‌سازد. تیم تحقیقاتی در توضیح این تکنیک می‌گوید:
این مانند زمانی است که تعداد کمی از قطرات بزرگ باران به یک سقف برخورد می‌کنند. همه آن‌ها به طور همزمان به سقف نمی‌رسند، بلکه ورود آن‌ها توزیع شده است.
به عبارت دیگر، اگر جریان الکتریکی از حرکت ذرات مجزای باردار تشکیل شده باشد، نوسانات تصادفی در جریان قابل اندازه‌گیری خواهد بود و نویز شات مقدار قابل توجهی خواهد داشت. این نوسانات ناشی از ورود تصادفی این ذرات باردار به ناحیه اندازه‌گیری است.
با این حال، در فلز عجیب YbRh2Si2، نویز شات تقریباً صفر اندازه‌گیری شد! این نتیجه نشان دهنده یک جریان پیوسته و بی‌شکل است، نه حرکت بارهای منفرد. پژوهشگران در تفسیر این یافته مهم اظهار داشتند:
این مانند آن است که الکترون‌ها هویت خود را از دست داده و در یک سوپ کوانتومی ادغام می‌شوند.
این مشاهده به طور مستقیم با درک متعارف مبنی بر اینکه الکتریسیته توسط شبه‌ذرات الکترونی مجزا حمل می‌شود، در تضاد است و نشان می‌دهد که در این فلز عجیب، الکترون‌ها دیگر به عنوان واحدهای مجزا عمل نمی‌کنند، بلکه رفتاری جمعی و یکپارچه از خود نشان می‌دهند. این یافته، بنیان‌های نظریه مایع فرمی را در مورد این دسته از مواد به شدت متزلزل می‌کند.
این آزمایش نیازمند دقت بسیار بالایی بود، زیرا ارتعاشات شبکه اتمی فلز می‌توانند اندازه‌گیری‌های نویز شات را مختل کنند. برای غلبه بر این چالش، پژوهشگران سیم‌های نانومقیاسی ساختند که آنقدر کوچک بودند که الکترون‌ها سریع‌تر از آنکه ارتعاشات شبکه بتوانند تداخل ایجاد کنند، از آن‌ها عبور می‌کردند. این امر امکان مشاهده واضح عدم وجود شبه‌ذرات در YbRh2Si2 را فراهم کرد و مهر تاییدی بر نتایج شگفت‌انگیز این تحقیق زد. این دستاورد فنی مهم، نقش کلیدی در آشکارسازی رفتار غیرمنتظره الکترون‌ها در این فلز عجیب ایفا کرد.
پیامدهای این کشف و زمینه برای تحقیقات آینده
پیامدهای این کشف بسیار گسترده و عمیق است. پژوهشگران با تاکید بر اهمیت این یافته جدید اظهار داشتند:
این تحقیق جدید درک فعلی ما را به چالش می‌کشد و ممکن است منجر به یک نظریه جدید در مورد انتقال الکتریکی شود.
درک چگونگی انحراف رفتار این فلزات از الگوی نظریه مایع فرمی می‌تواند پرده از مکانیسم‌های پنهان ابررساناهای دمای بالا بردارد؛ موادی که در حالت عادی و غیرابررسانا خود رفتاری شبیه به فلزات عجیب دارند. ابررساناهای دمای بالا، موادی هستند که در دماهای نسبتاً بالا (در مقایسه با ابررساناهای سنتی) مقاومت الکتریکی خود را به طور کامل از دست می‌دهند و کاربردهای بالقوه بسیار زیادی در زمینه‌های مختلف از جمله انتقال انرژی بدون تلفات و ساخت قطعات الکترونیکی فوق سریع دارند. درک ارتباط بین رفتار فلزات عجیب و مکانیسم ابررسانایی در این مواد می‌تواند راه را برای طراحی و ساخت ابررساناهای کارآمدتر هموار کند.
انتظار می‌رود این یافته موجی از تحقیقات فشرده را برانگیزد و به توسعه چارچوب‌های نظری جدید برای فلزات عجیب منجر شود. رفتار خاص این مواد، که در آن مقاومت به صورت خطی با دما افزایش می‌یابد (در تضاد با رفتار درجه دوم در فلزات معمولی)، سال‌هاست که دانشمندان را متحیر کرده است. این تحقیق، دریچه‌ای نو به سوی درک این پدیده مرموز می‌گشاید و می‌تواند منجر به پیشرفت‌های چشمگیری در زمینه فیزیک ماده چگال شود. در پایان بیانیه مطبوعاتی آمده است:
این نتایج، موجی از تحقیقات برجسته را به راه خواهد انداخت و به توسعه نظریه‌های جدید فلزات عجیب کمک خواهد کرد.
این تاکید بر اهمیت و تاثیرگذاری کشف اخیر دانشمندان، نشان دهنده پتانسیل بالای آن برای ایجاد تحولات اساسی در درک ما از رفتار الکترون‌ها در مواد مختلف است و می‌تواند زمینه‌ساز تحقیقات گسترده‌تری در آینده شود.
