کاهش دمای یک ماده تا نزدیک صفر مطلق

دانشمندان موفق شدند دمای یک مادۀ خاص را تا نزدیک به “صفر مطلق” کاهش دهند، آنها مشاهده کردند که یک ویژگی مشترک اتم‌ها یعنی چرخش‌های الکترونی می‌توانند در حالت کوانتومی حفظ شوند و به حالت سیال باقی بمانند.

Read Time:3 Minute, 32 Second

در “مواد کوانتومی”، الکترون‌ها با شدت غیرعادی، هم با یکدیگر و هم با اتم‌های شبکه کریستالی برهمکنش ایجاد می‌کنند. این ارتباط نزدیک اثرات کوانتومی قوی‌ای در سطح ماکروسکوپی و میکروسکوپی می‌گذارد و به مواد کوانتومی ویژگی‌ خارق‌العاده‌ای می‌دهد.

برای مثال مواد کوانتومی در دماهای پایین، می‌توانند به صورت امن و بی‌ضرر جریان الکتریکی را از خود عبور دهند و کوچک‌ترین واریاسیون و تغییر در دما، فشار و یا ولتاژ الکتریکی کفایت می‌کند که رفتار ماده کوانتومی به طور قابل توجه‌ای تغییر کند.

پروفسور “جوچن وسنیتزا” از آزمایشگاه میدان‌های مغناطیسی در آلمان گفت: «اصولا آهنرباها می‌توانند مواد کوانتومی تلقی شوند، به هرجهت ویژگی آهنربایی و آهنربا بودن یک ماده بر اساس چرخش‌های ذاتی الکترون‌ها در مواد است که به طریقی این چرخش‌ها و حرکت‌ها و جهت‌گیری‌ها می‌توانند مانند حرکت در سیالات باشد. در واقع وقتی که دما افت می‌کند، این چرخش‌های نامنظم الکترونی اصطلاحا یخ می‌زنند و متوقف می‌شوند؛ دقیقا همانطور که آب با یخ زدن به یخ تبدیل می‌شود.»

بعنوان مثال؛ گونۀ خاصی از آهنرباها که به آنها مواد فرومغناطیس می‌گوییم در کاهش دما و حالتی که یخ می‌زنند _به طور دقیق‌تر حالتی که چرخش‌های الکترونی منظم می‌شوند_ خاصیت آهنربایی خود را از دست می‌دهند و تنها زمانی که از این حالت خارج شوند می‌توانند به طور دائم آهنربا شوند

در این مطالعه دانشمندان به دنبال کشف حالت کوانتومی بودند که حتی در سردترین دماها هم چرخش‌های الکترونی مواد متوقف نشوند و از بین نروند، درست مانند مایع و آبی که در سردترین دماها هم جامد نمی‌شود!

برای رسیدن به این حالت گروه پژوهش یک مادۀ استثنایی را بکار بردند؛ ماده‌ای که ترکیبی از عناصر اکسیژن زیرکونیوم و پرازئودیمیم است. آنها بر این باور بودند که ویژگی شبکه کریستالی این ماده به الکترون‌ها اجازه می‌دهد که به طور منحصر به فرد با اوربیتال‌های خودشان در اطراف اتم برهمکنش داشته باشند.

پروفسور “ساتوری ناکاتسوجی” از دانشگاه توکیو گفت:«پیش نیاز ما برای انجام آزمایش داشتن کریستال‌هایی با بیشترین خلوص و کیفیت بود؛ که سعی و تلاش زیادی را می‌طلبید. نهایتا اما گروه مطالعه موفق شدند برای انجام آزمایش کریستال با خلوص لازم و کافی را تولید کنند.

Cryostat scaled

در یک کرایواستات[سرما پا، سرماپاها دستگاه‌هایی برای سردسازی نمونه هستند] پژوهشگران دمای نمونه را تا ۲۰ میلی کلوین _چیزی حدود یک پنجاهم صفر مطلق_ پایین آوردند تا ببینند نمونه به این پروسه سرد شدن چگونه پاسخ می‌دهد و تغییرات طول آن را در میدان مغناطیسی محاسبه کردند، در آزمایشی دیگر محققان بررسی کردند که کریستال‌ها چگونه به امواج فراصوتی که به طور مستقیم به آنها تابیده می‌شود، واکنش نشان می‌دهند.

دکتر “سرجی ژرلسن” از آزمایشگاه میدان‌های مغناطیسی در آلمان در خصوص تحقیقات فراصوت گفت: «اگر چرخش‌ها منظم شده بود، علت آن می‌توانست تغییرات غیرمنتظره در رفتار کریستال بوده باشد، مثلا تغییر ناگهانی در طول، با این حال تا آنجا که ما مشاهده کردیم هیچ اتفاقی نیفتاده بود! خبری از تغییرات ناگهانی در طول یا پاسخ آنها نسبت به امواج فراصوت نبود.»

«فعل و انفعالات آشکار بین چرخش الکترون‌ها و اوربیتال‌های آنها از نظم گرفتن چرخش‌ها جلوگیری کرده بود، به همین خاطر با وجود پایین آمدن دما اتم‌ها همچنان اصطلاحا در حالت مایع بودند _نخستین‌باری که چنین حالت کوانتومی مشاهده می‌شد- ضمنآ تحقیقات بیشتر در میدان مغناطیسی این فرضیه را تایید کرد.»

پروفسور “وسنیتزا” افزود: «این نتیجۀ ساده می‌تواند یک روز برایمان پیامدهای عملی و به دردبخوری داشته باشد. شاید بالاخره بتوانیم سنسورهای کوانتومی با حساسیت‌های بالا بسازیم. البته برای اینکار نخست باید بتوانیم بفهمیم که اساسا چطور به شکل سیستماتیک این حالت را در مواد ایجاد کنیم.[مترجم: سنسورهای کوانتومی سنسورهایی هستند که با استفاده از اطلاعات کوانتومی تغییرات در میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی را تشخیص می‌دهند]

سنسورهای کوانتومی یکی از فناوری‌های امیدبخش آینده هستند، زیرا خاصیت ذاتی کوانتومی این سنسورها آنها را نسبت به محرک‌های بیرونی به شدت حساس کرده. سنسورهای کوانتونی می‌توانند تغییرات میدان‌های مغناطیسی یا دما را با حساسیت و دقت خیلی خیلی بیشتر از سنسورهای سنتی و قدیمی‌تر تشخیص دهند.

دکمه بازگشت به بالا