ابرجامد: فرم ناممکنی از ماده که اکنون ساخته شده است
هر روز با کشفیات عجیب‌تری روبرو می‌شویم. اکنون فیزیکدانان ادعا می‌کنند که فرمی از ماده موسوم به ابرجامد را در آزمایشگاه ساخته‌اند که پیش از این امکان ساخت آن، دور از ذهن به نظر می‌رسید. ابرجامدها همزمان، خواص مواد مایع و جامد را از خود به نمایش می‌‌گذارند.
دانشمندان می‌گویند که این حالت عجیب ماده احتمالا بیش از ۵۰ سال است که وجود دارد؛ اما تاکنون کسی قادر به نشان دادن وجود آن نشده بود. اکنون، دو تیم مستقل از فیزیکدانان با استفاده از تکنیک‌هایی متفاوت به یک نتیجه‌ی واحد دست یافته‌اند: نخستین نمونه از ماده‌ی ابرجامد.
بر سر اینکه آیا این آزمایش‌ها واقعا حالت ابرجامد را نشان می‌دهند یا خیر، جنجال به پا شده است. مخصوصا این که در سال ۲۰۰۴، ادعا شد که این حالت از ماده کشف شده است؛ اما مدتی بعد، این ادعا نقض شد. با این حال شواهدی که اکنون به دست آمده‌اند، قانع کننده‌تر هستند.
اگر با این مفهوم عجیب خیلی آشنا نیستید، باید بگوییم که ابرجامد حالتی از ماده است که مانند مواد جامد ساختار کریستالی دارد؛ اما مانند مواد مایع جاری می‌شود؛ امری که با فیزیک سنتی تناقض دارد.
معمولا ماده فقط چهار حالت ساده دارد: جامد، مایع، گاز و پلاسما. این حالت‌ها بر اثر تغییر شرایط مانند فشار و دما ایجاد شده و براساس چینش ذرات ماده تعریف می‌شوند. آن چه که در مورد حالت ابرماده عجیب است، این است که ذرات در ساختاری جامد و صلب چینش یافته‌اند؛ اما بدون گرانروی و چسبندگی جاری می‌شوند و این ویژگی کلیدی یک ابرمایع است.
ولفانگ کتل، پژوهشگر ارشد یکی از این تیم‌ها، از دانشگاه ام‌آی‌تی می‌گوید:
این که ابرشارگی و استحکام با هم در یک ماده ترکیب شوند، خیلی عجیب است. اگر قهوه‌ی شما ابرشاره باشد و شما آن را هم بزنید، چرخش آن هیچ‌گاه متوقف نخواهد شد.
فیزیکدانان روسی در سال ۱۹۶۹ برای نخستین بار وجود ابرجامد را پیش‌بینی کردند. آن‌ها این فرضیه را مطرح کردند که ایزوتوپ هلیوم ۴ در شرایط خاص، به صورت هم زمان خواص مایعات و جامدات را نشان می‌دهد . برای مدت زمانی طولانی، پژوهشگران تصور می‌کردند که ساخت چنین ساختاری غیرممکن باشد؛ اما این امر عده‌ای را از تلاش باز نداشت. در سال ۲۰۰۴، پژوهشگران دانشگاه پنسیلوانیا هلیوم را تا دمایی نزدیک به صفر درجه‌ی کلوین سرد کردند و بر این اساس فرضیه‌ی خود را مبنی بر دستیابی به حالت ابرجامد پیش بردند.
براساس گفته‌ی یکی از اعضای تیم، آن‌ها نمی‌توانستند احتمال اینکه لایه‌ی نازکی از مایع در محفظه وجود دارد، رد کنند؛ اما جرات لازم برای انتشار نتایجشان را نداشتند. چندین آزمایش در این دهه انجام شد و نشان داد که هلیوم ۴ تحت شرایط خاص، گونه‌ای "انعطاف‌پذیری کوانتومی" دارد که توسط خاصیت ابرجامدی ایجاد نمی‌شود. اکثریت جامعه‌ی علمی تصمیم گرفتند که نمونه‌ی سال ۲۰۰۴، یک ابرجامد واقعی نبود. در طی چندین سال گذشته، در این زمینه پژوهشی ثبت نشده بود.
در ماه نوامبر، نه فقط یک تیم، بلکه دو تیم مستقل در مقاله‌های پیش‌نویسی اعلام کردند که توانسته‌اند در آزمایشگاه به ابرجامد دست یابند. پژوهشگران از دانشگاه MIT و ETH هستند. روش استفاده شده توسط دو تیم متفاوت است؛ اما هر دوی آن‌ها از نوعی گاز عجیب به نام گاز چگالش بوز-انیشتین برای ساخت ابرجامد استفاده کردند. چگالش بوز-انیشتین حالت پنجم ماده است که در دماهایی بسیار سرد، جایی که اتم‌ها مانند موج رفتار می‌کنند، ظاهر می‌شود و خصوصیات منحصر به فردی دارد. چگالش بوز-انیشتین، خود ابرمایع محسوب می‌شود؛ بنابراین استفاده از آن برای ساخت ابرجامد راحت‌تر است.
تیم‌ها، این گازهای فرا-سرد را با تکنیک‌هایی نسبتا متفاوتی، به فرم‌های کوانتومی ماده در آوردند که ساختاری صلب مانند جامد دارد و می‌تواند جاری شود. در آن زمان، هر دو تیم نتایج خود را به صورت پیش‌نویس منتشر کردند. اکنون مقاله‌ی هر دو گروه چاپ شده است. این مقالات شواهدی قابل توجه از دستیابی به ابرجامدها منتشر کرده‌اند.
پژوهشگران سوییسی مقدار کمی روبیدیوم را در محفظه‌ای تحت خلا قرار دادند و آن را تا دمای نزدیک به صفر کلوین سرد کردند. در اینجا آن‌ها به چگالش بوز-انیشتین دست یافتند. سپس این چگالش را در دستگاهی با دو محفظه‌ی رزونانسی نوری قرار دادند که هر کدام دو آینه‌ی مخالف در روبروی هم داشتند. ذرات با استفاده از لیزر، ساختاری کریستالی و منظم به دست آوردند که نشان دهنده‌ی یک جامد است. اما این چگالش خواص ابرمایعی خود را نیز دارد. این ماده قادر است بدون دریافت انرژی جاری شود؛ امری که در یک جامد معمولی نمی‌بینیم.
تیلمان اسلینجر، از اعضای تیم ETH زوریخ می‌گوید:
ما با استفاده از تنظیماتی مناسب که به ما امکان می‌داد دو محفظه‌ی رزونانسی یکسان برای اتم‌ها ایجاد کنیم، توانستیم به این حالت از ماده در آزمایشگاه دست پیدا کنیم.
تیم دانشگاه MIT رویکردی متفاوت انتخاب کرد. آن‌ها از ترکیب لیزر و روش سرمایش تبخیری استفاده کردند تا اتم‌های سدیم را به چگالش بوز-انیشتین تبدیل کنند. آن‌ها سپس از لیزر استفاده کردند تا با ایجاد تغییرات چگالی در اتم‌ها، آن‌ها را در ساختار کریستالی جامد مرتب کنند. اگرچه این فرایند متفاوت بود، نتایج آن‌ها مانند تیم سوییسی بود: ماده‌ی جامدی که مانند یک ابرمایع جاری می‌شود. چون این نتایج به صورت هم زمان، توسط دو تیم به دست آمده است، اعتبار نتایج را بیشتر می‌کند.
سارانگ گوپالاکریشنان از دانشگاه نیویورک که در این آزمایش شرکت نداشت، می‌گوید:
این نخستین بار است که شما با اطمینان می‌توانید به یک سیستم بنگرید و به روشنی بگویید که این ماده، هم جامد است و هم ابرمایع.
احتمالا اکنون آزمایش‌ها و تاییدهای مستقلی در حال انجام است تا اطمینان حاصل شود، آنچه که واقعا به دست آمده، ابرجامد است. بحث‌هایی وجود دارد، مبنی بر اینکه چون این تیم‌ها از چگالش بوز-انیشتین به جای ایزوتوپ هلیوم ۴ برای ساخت این حال ماده استفاده کرده‌اند، پس تقلب کرده‌اند؛ با این حال، این قانع‌کننده‌ترین شاهدی است که از وجود ابرجامدها در اختیار داریم.
اما این حالت جدید از ماده چه کاربردی دارد؟ در حال حاضر، کاربرد چندانی ندارد. این حالت‌های ماده در دماهای بسیار پایین و در خلا وجود دارند؛ بنابراین در حال حاضر، چندان کاربردی ندارند. با این حال دست یافتن به درکی بیشتر از حالت‌های عجیب ماده می‌تواند به بهبودهایی در ابررسانا تبدیل شود؛ موادی که بدون مقاومت، الکتریسیته را منتقل می‌کنند.
کتل می‌گوید:
ما با اتم‌ها در دماهای پایین، آنچه را که در طبیعت ممکن است، کشف می‌کنیم. اکنون که به صورت تجربی ثابت کرده‌ایم، تئوری‌های پیش‌بینی‌کننده‌ی ابرجامدها صحیح هستند؛ امیدواریم که الهام‌بخش پژوهش‌های بعدی با نتایجی پیش‌بینی نشده باشیم.
گرچه این امر که هر دو تیم همزمان چنین ادعایی را مطرح کردند، رقابتی به نظر برسد؛ اما واقعیت این است که هر دو گروه پژوهشی اعتباربخشی و بازخورد گرفتن را ارج می‌نهند.
کتل اضافه کرد:
این پژوهش هم زمان نشان می‌دهد که چقدر علاقه به این فرم جدید از ماده زیاد است.
هر دو مقاله‌ی این دو تیم، در نیچر (اینجا و اینجا) منتشر شده است.
نظرات