کشف ماده ای که هم جامد است هم مایع!

جهان ما به تازگی موضوع عجیب دیگری را به خود دیده است، فیزیکدانان ادعا می کنند موفق شده اند یک شکل کاملاً جدید و ” نا ممکن” از ماده را در آزمایشگاه تولید کنند- یعنی فوق جامدها – که دارای خصوصیات مایعات و جامدات به طور همزمان است.

گویا آی تی – دانشمندان پیش بینی می کنند که این حالت هیجان انگیز ماده احتمالاً از ۵۰ سال قبل وجود داشته است اما در این مدت هیچ کسی نتوانسته است امکان پذیر بودن وجود آن را اثبات کند. اکنون، دو گروه مستقل از فیزیکدانان از روش های مجزا برای رسیدن به این نتیجه عجیب استفاده کرده اند – چیزی که به ادعای آنها اولین نمونه از ماده فوق جامد است.
مطمئناً بر سر این که آیا این آزمایش های جدید صراحتاً می توانند حالت فوق جامد را اثبات کنند بحث و جدل زیادی وجود خواهد داشت – به ویژه بعد از ادعای مشابهی که نادرستی آن در سال ۲۰۰۴ مشخص شد – اما این مورد قانع کننده ترین مدرک برای واقعیت وجود فوق جامدها تاکنون است.
برای کسانی که از میزان عجیب و غریب بودن این موضوع اطلاع ندارند باید بگویم که این ماده فوق جامد یک حالت بیگانه و عجیب از ماده است که دارای ساختار کریستالی از یک جامد است، در حالی که مانند یک مایع روان است – این وضعیت در فیزیک سنتی کاملاً متناقض است.
معمولاً ماده فقط در چهار حالت ساده وجود دارد : جامد، مایع، گاز و پلاسما. این حالت ها بسته به شرایطی مانند دما و فشار ایجاد می شوند و از طریق آرایش و نوع چینش ذرات در درون ماده تعریف می شوند.

چیز غیر عادی درباره این حالت فوق جامد این است که ذرات آن در یک ساختار جامد سخت قرار می گیرند، اما آن می تواند بدون ویسکوزیته – یا چسبناکی – روان شود، این موضوع شاخصه بسیار کلیدی یک فوق جامد محسوب می شود.
ولفگانگ کِترلی، پژوهشگر ارشد یکی از این گروه ها از دانشگاه MIT می گوید، ” این برخلاف عقل سلیم است که ماده ای داشته باشیم که فوق روان بودن (اَبَر شاره) و جامد بودن را به طور همزمان با هم داشته باشد. برای مثال، اگر قهوه شما فوق مایع باشد و شما آن را به هم بزنید، آن برای همیشه به چرخش ادامه خواهد داد.”
وجود فوق جامدها برای اولین بار توسط فیزیکدانان روسی در سال ۱۹۶۹ پیش بینی شدند، فرض آنها این بود که یک ایزوتوپ هلیوم -۴ تحت شرایط خاص می تواند به طور همزمان خواص جامد و مایع را از خود بروز دهد.

برای یک دوره طولانی پژوهشگران به طور کلی بر این فرض بودند که تولید چنین ساختاری غیر ممکن است – اما این موضوع باعث نشد تا دست از تلاش بردارند.
در سال ۲۰۰۴ یک کشف مهم روی داد، پژوهشگران دانشگاه ایالت پنسیلوانیا هلیوم را تا پایین تر از یک دهم درجه بالای صفر مطلق سرد کردند (حدود -۲۷۳ درجه سانتیگراد) و به طور اتفاقی چیزی را یافتند که می توانست یک حالت فوق جامد باشد.
طبق گزارش بِک کرو در سال گذشته، این تیم از اعلام تولید یک فوق جامد به اندازه کافی مطمئن نبودند، زیرا آنها نمی توانستند این احتمال را نفی کنند که ممکن است یک لایه نازک از مایع بدون آگاهی آنها به درون ظرف آنها وارد شده باشد و نتایج آنها را منحرف کرده باشد.
آزمایش های متعددی در این دهه انجام شد که نادرستی تولید یک فوق جامد را بیشتر اثبات می کرد، این آزمایش ها نشان می داد که هلیوم -۴ دارای نوعی ” شکل پذیری کوانتومی” تحت شرایط خاص است که توسط فوق جامد بودن ایجاد نشده است.

اکثر جوامع علمی بر این باور بودند که نمونه سال ۲۰۰۴ نمونه ای از یک فوق جامد واقعی نبوده است و حتی تا چند سال گذشته نیز این بحث مسکوت مانده بود.
اما در ماه نوامبر، نه فقط یک گروه بلکه دو گروه مستقل از هم در مقالاتی اعلام کردند که این کار را انجام داده اند – آنها موفق شده بودند تا فوق جامدها را در آزمایشگاه تولید کنند.
این پژوهشگران از دانشگاه های MIT کمبریج، ماساچوست و ETH زوریخ سوئیس بودند و اگرچه هر دو گروه فرآیندهای مجزایی را به کار گرفته بودند، اما هر دو گروه از یک نوع گاز عجیب و بیگانه به نام چگالش بوز- انیشتین (Bose-Einstein condensate) برای تولید فوق جامدهای خود استفاده کرده بودند.
چگالش های بوز- انیشتین پنجمین حالت ماده هستند که در دماهای مافوق سرد پدیدار می شوند، جایی که اتم ها مانند امواج رفتار می کنند.
آنها در نوع خود دارای خواص منحصر به فردی هستند، اما چیز جالب درباره استفاده از چگالش بوز- انیشتین برای تولید یک فوق جامد این است که آن یک فوق مایع است، بنابراین نیمی از راه را طی کرده است.
این گروه از تکنیک های کمی متفاوت استفاده کردند تا این گازهای فوق سرد را به یک فاز کوانتومی از ماده وارد کنند که دارای ساختار سخت یک جامد باشد اما همزمان دارای توانایی روان شدن مانند یک فوق مایع را نیز داشته باشد.
در آن تاریخ این دو گروه نتایج پیش از چاپ خود را در سایت arXiv.org منتشر کردند. اکنون نتایج این دو گروه به طور دقیق بررسی شده است و در نشریه Nature منتشر شده است. این نتایج قابل توجه ترین مدارک و شواهد از واقعی بودن فوق جامدها را ارائه می کنند.
پژوهشگران سوئیسی توانسته بودند با قرار دادن مقدار کمی گاز روبیدیوم در یک محفظه خلاء به این نتایج دست یابند، در این محفظه این گاز به چند میلیاردم از یک درجه کلوین نزدیک صفر مطلق سرد می شود که باعث می شود یک چگالش بوز- انیشتین تشکیل شود.
این گروه سپس این چگالش را در دستگاهی با دو محفظه رزونانس نوری قرار دادند که هرکدام از دو آینه کوچک رو به روی هم تشکیل شده اند. در نهایت این ذرات با استفاده از لیزر یک ساختار منظم و شبیه کریستال به خود می گیرند که نشانگر حالت جامد است.

اما این چگالش همچنین خواص فوق مایع خود را نیز حفظ کرده بود – به طوری که بدون هیچ انرژی ورودی قابلیت روان شدن داشت، این حالت در یک جامد عادی غیر ممکن است.
تیلمان اِسلینگر، یکی از اعضای گروه ETH زوریخ در گفتگو با سایت Phys.org می گوید، ” ما به لطف تجهیزات پیچیده ای که به ما اجازه می داد تا دو محفظه رزونانس را برای اتم ها یکسان سازی کنیم، توانستیم این حالت ویژه را در آزمایشگاه تولید کنیم. ”
تیم MIT رویکرد متفاوتی را اتخاذ کرده بودند – آنها از ترکیب لیزر و روش های سرد کردن تبخیری برای تبدیل اتم های سدیم به چگالش بوز- انیشتین استفاده کرده بودند.
آنها سپس با استفاده از لیزرها و تغییر چگالی در اتم ها، آن را به یک آرایش جامد متبلور تبدیل کردند.
اگرچه این فرآیند متفاوت بود اما نتیجه نهایی با تیم سوئیسی یکسان بود – یعنی ماده جامدی که مانند یک فوق مایع روان می شود.
تایید شدن نتایج این دو گروه در یک زمان، موجودیت واقعی این فوق جامدها را قانع کننده تر می کند.
سارانگ گوپالاکریشنان، از دانشگاه City نیویورک که خود در این پژوهش حضور نداشته است در ماه نوامبر به سایتScience News می گوید، ” این مطمئناً اولین نمونه ای است که شما می توانید بدون ابهام به آن نگاه کنید و بگویید که هم جامد و هم مایع است.”

اکنون این رویداد احتمالاً یک مرحله جدید از آزمایش و تایید مستقل را سپری خواهد کرد، تا اطمینان حاصل شود که چیزی که تولید شده واقعاً می تواند فوق جامد نامیده شود.
این بحث وجود دارد که به دلیل استفاده این گروه از چگالش بوز- انیشتین به جای هلیوم-۴ برای تولید این حالت از ماده، می توان به آن به عنوان نوعی تقلب نگاه کرد. اما آن قطعاً قانع کننده ترین گواه و مدرک ما دال بر وجود ماده فوق جامد تاکنون است.
خوب، این حالت جدید از ماده چه کاربردهایی برای ما خواهد داشت؟ در حال حاضر، کاربردهای آن زیاد نیست. واقعیت این است که این مواد فقط می توانند در دماهای به شدت پایین و در شرایط خلاء بالا وجود داشته باشند که بدین معناست که در حال حاضر برای ما چندان مفید و کاربردی نیستند.
اما اگاهی بیشتر از این حالت عجیب ماده می تواند به بهبود فوق رساناها منجر شود – فوق رساناها مواد سودمندی هستند که الکتریسیته را بدون مقاومت انتقال می دهند.
ولفگانگ کِتِرلی از گروه MIT می گوید، ” ما با داشتن اتم های سرد رویدادهای امکان پذیر در طبیعت را طراحی می کنیم.”
” اکنون که ما به طور تجربی صحت فرضیه های پیش بینی کننده وجود فوق جامدها را اثبات کرده ایم، امیدواریم تا پژوهش های بیشتری انجام دهیم، به طوری که آنها احتمالاً با نتایج غیر منتظره ای همراه خواهند بود.”

اگرچه مطرح کردن این ادعا توسط هر دو گروه در یک زمان ممکن است رقابت به نظر برسد، اما واقعیت این است که هر دو گروه از تاییدات و بازخوردهای گروه مقابل استقبال کرده اند.
کِترلی می افزاید، “درک و فهم همزمان هر دو گروه میزان علاقه زیاد به این نوع جدید از ماده را نشان می دهد.”
این دو مقاله در نشریه Nature منتشر شده اند.