دانشمندان حالت جدیدی از ماده را کشف کردند

محققان دانشگاه ایلینوی بعد از نیم‌قرن پژوهش و نظریه‌پردازی، سرانجام حالت جدیدی از ماده را به‌نام اکسیتونیوم، کشف کردند.

دانشمندان حالت جدیدی از ماده را کشف کردند

محققان دانشگاه ایلینوی بعد از نیم‌قرن پژوهش و نظریه‌پردازی، سرانجام حالت جدیدی از ماده را به‌نام اکسیتونیوم، کشف کردند.

تقریبا ۵۰ سال پیش، برت‌ هالپرین فیزیک‌دان نظریه‌پرداز دانشگاه ‌هاروارد، این حالت ماده را اکسیتونیوم (Excitonium) نام‌گذاری کرده بود. او هم‌اکنون ۷۰ ساله است و از کشف این ماده، بسیار هیجان‌زده شده است. در آن زمان دانشگاه ایلینوی، تجهیزات و فناوری‌های لازم برای اثبات نظریه‌ها را نداشت. فیزیک‌دانان این دانشگاه دریافتند که اکسیتونیوم از ذرات کوچک‌تری به نام اکسیتون (Exciton) تشکیل شده است و ماهیتی آلومینیومی دارد که از الکترون‌های فراری و حفره‌های خالی آنها به وجود می‌آید. اکسیتونیوم یک ماده‌ی چگال است و محققان آنها را به‌حالت جامدشناسایی کرده‌اند.

اکسیتون یک حالت مقید الکترون‌- حفره است که این دو با نیروی الکترواستاتیک کولنی جذب می‌شوند. این ذره، یک شبه‌ذره‌ی خنثی است که در عایق‌ها، نیم‌رساناها و برخی مایعات وجود دارد. اکسیتونیوم ماده‌ی شگفت‌انگیز و اسرارآمیزی است که برخی می‌گویند این ماده می‌تواند به‌عنوان یک عایق عمل کند؛ یعنی قادر به انتقال انرژی یا تکانه نیست، برخی هم آن را ابرشارگی در نظر می‌گیرند که دقیقا برعکس عایق، قادر است بدون هیچ‌گونه اتلافی، انرژی و تکانه را انتقال دهد. چگونگی تشکیل اکسیتون‌ها بدون در نظر گرفتن فیزیک کوانتوم، بسیار دشوار خواهد بود.

چگالش بوز-اینشتین در واقع واسطه‌ی بین فیزیک کلاسیک و فیزیک کوانتوم است که قوانین این دو متفات از همدیگر هستند و زمانی تشکیل می‌شود که ذرات یا شبه‌ذرات (Quasiparticle) در کنار هم قرار می‌گیرند و پیوسته می‌شوند. این پیوستگی، ذرات بوزون نام دارد و اکسیتون‌ها، بوزون موجود در مواد نیمه‌رسانا هستند که با جابه‌جایی الکترون در لایه‌ی والانس این مواد به وجود می‌آیند. حالت پنجم ماده یعنی چگال بوز-انیشتن که در سال ۱۹۹۵ کشف شد، در اثر سرد شدن ذراتی به نام بوزون‌ها (Bosons)، پدید می‌آید. بوزون‌های سرد در هم فرو می‌روند و ابرذره‌هایی که رفتاری بیشتر شبیه یک موج دارد تا ذره‌های معمولی، شکل می‌گیرد. ماده‌ی چگال بوز-انیشتن، شکننده است و سرعت عبور نور در آن بسیار کم است.

بوزون‌ها از اصل طرد پائولی پیروی نمی‌کنند و می‌توانند به هر تعداد، یک حالت کوانتومی معین را اشغال کنند. در دماهای نزدیک به صفر مطلق، اتم‌ها و مولکول‌ها هویت مجزای خود را از دست می‌دهند و به تک «ابراتم» تبدیل می‌شوند. این ابراتم را چگالش بوز-اینشتین می‌گویند؛ در واقع حالت چگالیده‌ی بوز- اینشتین، مانند جامد، مایع، گاز و پلاسما حالت دیگری از ماده است. ذرات هیدروژن از یک الکترون و یک پروتون تشکیل شده‌اند، اما در حالت برانگیخته، الکترون خود را از دست می‌دهد. فرار الکترون، یک فضای خالی را بر جای می‌گذارد و همین حفره می‌تواند در نقش یک ذره عمل کند، یعنی الکترون فراری را جذب کرده و با آن پیوند تشکیل دهد؛ حفره و الکترون می‌توانند همانند الکترون و پروتون، دور همدیگر بچرخند.

محققان از تکنیک M-EELS برای شناسایی اکسیتونیوم استفاده کردند؛ این تکنیک در کشف بوزون هیگز هم به‌کار گرفته شده بود

اصطلاح شبه‌ذرات برای توصیف پدیده‌های عجیب‌و‌غریبی که در فرآیندهای بسیار فانتزی، مخصوصا بسیاری از سیستم‌های کوانتومی و یا مواد حالت جامد رخ می‌دهد، به‌کار می‌رود. یک مثال رایج در خصوص این پدیده، حرکت کردن الکترون‌ها درون فاز جامد است. زمانی که الکترون‌ها در محیطی سفر می‌کنند به دلیل اینکه دارای بار الکتریکی هستند محیط اطرافشان را قطبی می‌کنند. قطب ایجاد شده همراه با الکترون، درون مواد حرکت می‌کند. دانشمندان معتقد هستند اکسیتون‌ها هم مانند سایر بوزون‌ها می‌توانند در حالت پایه وجود داشته باشند.

از زمان معرفی مفهوم اکسیتونیوم، دانشمندان زیادی برای اثبات وجود این ماده‌ی شگفت‌انگیز تلاش می‌کردند و بحث‌های زیادی هم در مورد ماهیت اکسیتونیوم مطرح شد؛ اما تلاش‌های فراوان دانشمندان هر بار با شکست مواجه می‌شد. دانشمندان در طول این نیم قرن، به همان اندازه که از وجود اکسیتونیوم اطمینان داشتند، از اثبات آن ناتوان بودند. کاری که پیتر آبامونته (Peter Abbamonte)، استاد دانشگاه ایلینوی، و همکارانش انجام دادند ابداع تکنیکی مبتنی بر پراکندگی الکترون (Elecron-scattering)، به منظور شناسایی اکسیتون و در نهایت اکسیتونیوم بود. آن‌ها کار خود را در شرایط خلا و روی سطحی یکنواخت آغاز کردند. اساس این مطالعه، پرتاب الکترون به سطح مورد آزمایش، جهت ایجاد موج (ناشی از پراکندگی الکترون) بود.

پیتر آبامونته، با کمک همکارانش روش جدیدی را برای شناسایی ذرات اکسیتون و اثبات آنها یافته‌اند. این روش طیف‌سنجی کاهش انرژی الکترون با تفکیک تکانه (M-EELS) نام دارد. تکنیک M-EELS که حساسیت بیشتری نسبت به برانگیختن باند ظرفیت (Valence band) دارد، به‌طور موفقیت‌آمیزی برای شناسایی دسته‌های اکسیتون‌ها، استفاده شد. این دسته‌های اکسیتون روی تیتانیوم دی‌سلنید (1T-TiSe2)، نوعی دیکالکوژنید فلز انتقالی، چگالش یافته بودند.

طی آزمایش‌هایی که روی مواد فردریک سایتز انجام شد، پژوهشگران بلورهای تقویت شده با تیتانیوم دی‌سلنید را مورد مطالعه قرار دادند و موفق شدند برای ۵ بار روی بلورهای مختلف، نتیجه‌ی یکسان را به‌دست آورند. با این حال هنوز دانشمندان ویژگی‌های ماده‌ی اکسیتونیوم را نمی‌دانند. برخی معتقدند این حالت مانند یک عایق است و نمی‌تواند انرژی را حمل کند. عده‌ای دیگر معتقدند ماده در این حالت مشابه ابرمایع است، به همین دلیل گام بعدی کشف ویژگی‌ها و خصوصیات این فاز از ماده است.

منبع :

پاسخ تلفنی به سوالات شما و برنامه ریزی شخصی

برنامه ریزی روزانه و زمان بندی صحیح برای مطالعه در ایام امتحانات و دوران جمع بندی کدام است؟
مناسب ترین کتاب ها برای دوران جمع بندی ؟
بهترین تغذیه برای افزایش حافظه و کاهش خواب آلودگی و خستگی کدام است؟ چگونه تمرکزم را در حین مطالعه بالا ببرم؟
از طریق تلفن ثابت در سراسر کشور بدون پیش شماره
با شماره 9099071219 تماس بگیرید
ساعت پاسخگویی از 8 صبح تا 12 شب
خرید کتاب