دانشمندان برای اولین بار نحوه‌ شکل گیری شبه ذرات را مشاهده کردند

نحوه‌ی شکل‌گیری شبه ذرات و مشاهده‌ی آن به صورت زنده یکی از مهم‌ترین رخدادهای فیزیک به حساب می‌آید که آینده‌ای روشن را برای فناوری‌های پیچیده رقم می‌زند. این اتفاق راه را برای دستیابی به امکان توسعه‌ی پردازنده‌های کوانتومی و قطعات الکترونیکی با سرعت بالا هموارتر می‌کند.

اما شبه‌ ذره چیست؟ با جابه‌جایی الکترون در یک سیستم جامد و به دلیل تغییر مدار الکترون، یک ناحیه‌ی بارور شده اطراف الکترون به دست می‌آید. این ابر بارور شده همراه با الکترون درون سیستم حرکت می‌کند و می‌توان به عنوان ذره‌ای مجزا یا شاید شبه ذره از آن نام برد.

محقق دانشگاه Innsbruck برای توضیح شبه ذره از مثال اسکی‌باز استفاده می‌کند:

اگر به حرکت یک اسکی‌باز از دور دقت کنید، متوجه خواهید شد که اطراف وی را هاله‌ای از ذرات برف احاطه کرده است. حالا فرد دیگری را در نظر بگیرید که در حال حرکت است ولی ناحیه‌ی اطراف خود را تحت تاثیر قرار نمی‌دهد. نمونه‌ی اول درست مثل یک سیستم داخل یک سیستم دیگر عمل می‌کند که در فیزیک به آن شبه ذره گفته می‌شود.

نحوه‌ی ایجاد و شکل‌گیری شبه ذرات به صورت تئوری در کتاب‌های فیزیک توضیح داده است. اما مشاهده‌ی زنده آن به دلیل طول عمر بسیار کم و البته سختی‌های بسیار در مشاهده به دلیل اندازه‌ی بسیار کوچک آن به یکی از چالش‌های مهم دنیای فیزیک بدل شده بود. بد نیست بدانید که طول عمر یک شبه ذره برابر با یک اتوثانیه یا ۱۰ به توان منفی ۱۸ ثانیه است.

با این حال تیم تحقیق با استفاده از روشی خاص موفق به کندتر شدن این روند شدند.

در یک اتاقک خلاء و با استفاده از روش laser trapping، اعضای تیم تحقیقاتی موفق به تولید گاز کوانتوم خیلی سرد، ultracold quantum gas، شدند. این گاز از اتم‌های لیتیوم با حضور اتم‌های پتاسیم تشکیل شده است. در مرحله‌ی بعد با تشکیل یک میدان مغناطیسی موفق به ایجاد برخورد بین ذرات سیستم شدند که در نهایت موجب تشکیل نوعی از شبه ذرات موسوم به Fermi polaron شد. فرمی پلارن در حقیقت اتم‌هایی از پتاسیم هستند که در ابری از لیتیوم احاطه شده‌اند.

تشکیل این شبه ذرات تا از بین رفتن آن‌ها ۱۰۰ اتوثانیه طول می‌کشد که به لطف حضور گاز کوانتوم خیلی سرد این بازه‌ی زمانی کمی طولانی‌تر شد.

گریم، یکی از اعضای تیم تحقیقاتی در این مورد می‌گوید:

ما نحوه‌ی شکل‌گیری شبه ذره را در تراکمی پایین‌تر شبیه‌سازی و ایجاد پولارن را به صورت لحظه‌ای مشاهده کردیم. به لطف روش پیشنهادی ما طول عمر هر پولارن به چند میکروثانیه افزایش پیدا کرد. خروجی پژوهش ما درک بهتری از فیزیک کوانتوم و حرکت به سمت وسایل الکترونیک با سرعت پردازش بسیار بالا ارائه می‌کند.

قدم بعدی در تحقیقات به مشاهده‌ی بهتر و البته انداز‌ه‌گیری دقیق‌ آن‌ها اختصاص داده می‌شود. بنابراین دانشمندان می‌توانند به رایانه‌های کوانتومی و حرکت سریع‌تر الکترون‌ها دست پیدا کنند.

نتیجه این پژوهش علمی در نشریه‌ی Science به چاپ رسیده است.