با کشف تصادفی “ذره شیطان”، معمای 67 ساله حل شد

دانشمندان در حین مطالعه ماده ای که می تواند به کشف اسرار ابررساناها کمک کند، به طور تصادفی یک “ذره شیطان (Demon particle)” را کشف کردند که برای اولین بار تقریباً 70 سال پیش نظریه پردازی شد، اما هرگز به طور تجربی تأیید نشده بود.

ذره شیطان (Demon particle) چیست؟

ذرات شیطان یا ذرات پینز، که به آنها پلاسمون‌های بدون جرم نیز می‌گویند، ذراتی هستند که از دو باند الکترون تشکیل شده‌اند که با جرم صفر و بار الکتریکی صفر نوسان می‌کنند. آنها معمولاً در موادی با هندسه دو بعدی یافت می‌شوند، اما ممکن است در مواد سه بعدی نیز وجود داشته باشند.

ذرات شیطان توسط فیزیکدان دیوید پینز در سال 1956 پیش‌بینی شد. او دریافت که این ذرات می‌توانند در موادی که دارای دو باند الکترون با انرژی‌های متفاوت هستند، تشکیل شوند. زمانی که یک الکترون از یک باند به باند دیگر پرش می‌کند، یک ذره شیطان تشکیل می‌شود. این ذره دارای جرم صفر است زیرا انرژی‌های دو باند برابر هستند.

ذرات شیطان خواص منحصر به فردی دارند. آنها می‌توانند از طریق دیوارهای عایق الکتریکی عبور کنند و گرما را بدون انتقال جرم انتقال دهند. این خواص آنها را برای کاربردهای بالقوه در فناوری‌های جدید مانند ابررساناها و رایانه‌های کوانتومی جذاب می‌کند.

شناسایی ذره شیطان:

الکترون ها ذرات عجیبی هستند. هنگامی که آنها در میان جامدات حرکت می کنند، برهمکنش آنها با یکدیگر می تواند برانگیختگی های جمعی ایجاد کند که مانند ذرات کاملاً جدید با ویژگی های متفاوت عمل می کنند. اینها به عنوان “شبه ذرات” شناخته می شوند.

شکل خاصی از شبه ذرات به نام “پلاسمون”، به دلیل نوسانات پلاسما رخ می دهد و اینها دارای بار و جرم جدیدی جدا از الکترون های تشکیل دهنده آنها هستند. با این حال، تصور می شد که تشکل پلاسمون ها در دمای اتاق غیرممکن است چراکه سطوح انرژی برای توده های مورد نیاز برای تشکیل آنها ناکافی است.

اما همانطور که گفته شد در سال 1956، دیوید پینز، فیزیکدان نظری، استثنایی از این قاعده را پیش‌بینی کرد: الکترون‌ها در نوارهای انرژی متعدد می‌توانند در یک الگوی خارج از فاز با هم، هم گروه شوند و پلاسمونی را تشکیل دهند که جرم یا بار ندارد. “بدون هیچ جرمی”، آنها می توانند در هر سطح انرژی و بنابراین در هر دمایی تشکیل شوند! این ذره نظری به “شیطان پینز” معروف شد و از آن زمان تاکنون (حداقل تاکنون) از شناسایی دور مانده است.

اکنون دانشمندان دانشگاه ایلینویز اوربانا-شمپین و دانشگاه کیوتو اولین تشخیص مستقیم این ذره را در فلزی به نام استرانسیوم روتنات انجام داده‌اند. به نظر می‌رسد کلید شناسایی این ذره این بود که به‌طور خاص به دنبال آن نباشیم!

پیتر آبامونته، نویسنده اصلی این مطالعه، گفت:

اکثریت قریب به اتفاق آزمایش‌ها با نور انجام می‌شوند و ویژگی‌های نوری را اندازه‌گیری می‌کنند، اما خنثی بودن الکتریکی به این معنی است که شیاطین با نور تعامل ندارند. بنابراین “یک نوع آزمایش کاملا متفاوت” مورد نیاز بود.

استرانسیوم روتنات یک فلز جالب است که برخی از خواص ابررساناهای با دمای بالا را نشان می‌دهد، اگرچه خود یک ابررسانا نیست. این تیم تحقیقاتی امیدوار بود که با مطالعه خواص الکترونیکی این ماده با روشی به نام “طیف‌سنجی اتلاف انرژی الکترون با تفکیک تکانه”، سرنخ‌هایی از این پدیده ارزشمند پیدا کنند. این فرآیند شامل انفجار فلز با الکترون ها برای مشاهده خواص آن، از جمله هر شبه ذره‌ای است که ممکن است تشکیل شود. با انجام این کار، محققان یک پلاسمون گیج کننده بدون جرم را کشف کردند.

علی حسین، یکی دیگر از نویسندگان این مطالعه، گفت:

در ابتدا نمی‌دانستیم این پدیده چیست. احتمال تشخیص ذره شیطان در اوایل برای ما به وجود آمد ولی ما به سادگی از کنار آن رد شدیم. اما همانطور که شروع به رد کردن موارد مختلف کردیم، این شک در بین ما تقویت شد که واقعاً “ذره شیطان” را پیدا کرده‌ایم.

دانشمندان برای شناسایی، ساختار الکترونیکی استرانسیوم روتنات را بررسی کردند و مطمئناً شیطانی که 67 سال پنهان مانده بود سرانجام مورد توجه قرار گرفت.

ادوین هوانگ، یکی دیگر از نویسندگان این مطالعه گفت:

پیش‌بینی پینز از این شیاطین مستلزم شرایط نسبتاً خاصی است و برای هیچ‌کس مشخص نبود که آیا استرانسیوم روتنات اصلاً باید ذره شیطان داشته باشد یا خیر. در نهایت ما مجبور شدیم یک محاسبه میکروسکوپی انجام دهیم تا مشخص شود چه اتفاقی در حال رخ دادن است. وقتی این کار را انجام دادیم، ذره‌ای متشکل از دو باند الکترونی پیدا کردیم که در خارج از فاز با قدر تقریباً مساوی نوسان می‌کردند، دقیقاً همانطور که پینز توضیح داده بود.

این تیم معتقد است که ذره شیطان ممکن است نقش کلیدی در رفتارهای الکترونیکی طیف وسیعی از فلزات داشته باشند.

این تحقیق در مجله Nature منتشر شده است.

منبع: Newatlas