حالت عجیب ماده: نور هم جامد و هم مایع شد!

فوق‌جامدها فاز کوانتومیِ شگفت‌آوری از ماده به شمار می‌روند که ویژگی‌های جامدات و مایعات را در هم می‌آمیزند. این حالت اکنون چهره‌ای تازه و انتزاعی‌تر یافته است: دانشمندان موفق شده‌اند خودِ نور را به یک فوق جامد تبدیل کنند. این دستاورد می‌تواند راهگشای فناوری‌های نوظهور در حوزه‌های کوانتوم و فوتونیک باشد.

به گزارش «ایتنا» به نقل از Sciencealert، فراتر از چهار حالت رایج ماده یعنی جامد، مایع، گاز و پلاسما، دنیایی متنوع از فازهای غیرعادی ماده وجود دارد. فوق جامد که مدت‌ها صرفاً یک پیش‌بینی نظری بود و به‌تازگی در آزمایشگاه تحقق یافته، ساختاری بلوری مشابه جامدات معمولی دارد، اما برخلاف انتظار، قادر است بدون اصطکاک و مانند یک مایع جریان یابد.

“یاکوپو کاروسوتو”، فیزیکدان حوزه اتم و اپتیک از دانشگاه ترنتوی ایتالیا، توضیح می‌دهد: «می‌توان فوق جامد را شاره‌ای متشکل از قطره‌های کوانتومی همدوس تصور کرد که آرایشی تناوبی در فضا دارند. این قطره‌ها قادرند از میان یک سد عبور کنند بدون آنکه دچار اختلال شوند و فاصله و نظم بلوری خود را حفظ کنند.»

پیش از این، فوق جامدها تنها از اتم‌ها ساخته می‌شدند، اما تیمی به رهبری پژوهشگران شورای ملی تحقیقات (CNR) ایتالیا برای نخستین بار چنین حالتی را با استفاده از فوتون‌ها (ذرات بنیادین نور) ایجاد کرده است.

“داریو جرارس”، فیزیکدان ماده چگال از دانشگاه پاویای ایتالیا، می‌گوید: «بازآفرینی این فاز عجیب از ماده چگال درون یک سیال نوری که در یک نانوساختار نیمه‌رسانا جریان دارد، به ما امکان می‌دهد ویژگی‌های فیزیکی آن را در قالبی نوین و کنترل شده بررسی کنیم و شاید از خصوصیات منحصربه‌فرد آن در کاربردهایی مانند ادوات نورگسیل پیشرفته بهره ببریم.»

درک دقیق این پدیده اندکی دشوار است: دانشمندان صرفاً فوتون‌های آزاد را از محیط نگرفته و به حالت عجیبی از ماده تبدیل نکرده‌اند، چراکه نور خود ماده نیست، بلکه صورتِ انرژی است. برای دستیابی به این هدف، محققان ناچار بودند فوتون‌ها را به ماده متصل کنند. فوتون‌ها از یک لیزر به سطح نیمه‌رسانایی از جنس آرسنید گالیم تابانده شدند تا بخش مادی معادله تأمین گردد. سپس فوتون‌ها با برانگیختگی‌های درون ماده برهم‌کنش کردند و شبه‌ذره‌ای به نام پلاریتون پدید آوردند.

تنظیمات مشابهی پیشتر برای تبدیل نور به اَبرسیال به کار رفته بود، اما تبدیل آن به فوق‌جامد نیازمند گام‌های تکمیلی بود. ساختار خاص آرسنید گالیم به گونه‌ای طراحی شده بود که فوتون‌ها را در سه حالت کوانتومی متفاوت دستکاری کند. در آغاز، فوتون‌ها در حالتی با تکانه صفر جای می‌گیرند، اما با «پُر شدن» این حالت، جفت‌هایی از فوتون‌ها به دو حالت مجاور سرریز می‌شوند. این امر سبب چگالش پلاریتون‌ها در چیزی میشود که تیم تحقیقاتی «حالت مقید در پیوستار» (Bound state in the continuum) مینامد.

محصورشدگی پلاریتون‌ها در هر یک از این حالات درون نیمه‌رسانا، ساختار فضاییِ شبه‌جامد را ایجاد میکند، در حالی که توانایی طبیعی آنها در جاری شدن بدون اصطکاک، خاصیت ابرسیالی به آنها میبخشد. تلفیق این دو ویژگی، کل سیستم را به یک فوق جامد تبدیل میکند.

برای تأیید این امر، تیم به جستجوی نشانه‌های آشکار پرداخت. نگاشت چگالی فوتون‌ها دو قله برجسته با یک دره میانی را نشان داد، اما روی آن الگویی از مدولاسیون خاص دیده میشد که بیانگر شکست تقارن انتقالی است – همان مشخصه اصلی فوق جامدها. سپس، با بهره‌گیری از تداخل سنجی، وضعیت کوانتومی سیستم اندازه‌گیری شد و همدوسی در هر مؤلفه و در کل سیستم احراز گردید. این نظم ظریف و شکننده حفظ شده بود و شواهد بیشتری برای اثبات تشکیل فوق جامد فراهم آمد.

به گفته تیم پژوهشگر، این یافتهها مسیری کاملاً تازه برای ساخت چنین حالت عجیبی از ماده پیش میکشند.

“دانیله سانویتو”، فیزیکدان مؤسسه فناوری نانوِ CNR، خاطرنشان میسازد: «این کار نه تنها مشاهده فاز فوق جامد در یک بستر فوتونیکی را به نمایش می‌گذارد، بلکه دریچه‌ای به سوی کشف فازهای کوانتومی ماده در سیستم‌های غیرتعادلی می‌گشاید. اهمیت این رویداد از آن جهت است که چنین رویکردی پتانسیل پر کردن شکاف میان دانش بنیادی و کاربردهای عملی را دارد.»

نتایج این پژوهش در مجله Nature منتشر شده است.