درباره ذره شیطان چه می‌دانید؟

ضمیمه دانش امروز روزنامه اطلاعات نوشت: وقتی فیزیک‌دان‌ها در حال انجام یک آزمایش نامتعارف بودند تا حالت‌های الکترونیکی و رفتار فلز بی‌خطر و بی‌ضرر «استرانسیم روتنات» (Sr2RuO4)را برانگیزانند، ذره شیطان را کشف کردند؛ اگر چه در ابتدا نمی‌دانستند با چه چیزی رو‌به‌رو شده‌اند.

این ذره در معنای سنتی شبیه به پروتون یا الکترون نیست بلکه ذره‌ای مرکب متشکل از ترکیبی از الکترون‌ها است که در یک ماده جامد یافت می‌شوند.

دانشمندان حدس می‌زدند که ذره شیطان نقش مهمی در ویژگی‌های بسیاری از فلزات ایفا می‌کند اما تا به امروز نمی‌توانستند وجود آن را ثابت کنند. واقعیت این است که بیشتر اکتشافات بزرگ به‌طور تصادفی و بدون برنامه‌ریزی قبلی اتفاق می‌افتند.

آن‌ها تصور نمی‌کردند استرانسیم روتنات اصلاً چنین ذره‌ای در خود دارد. پس باید یک محاسبه میکروسکوپی انجام می‌دادند تا برایشان روشن شود چه چیزی در ماده مقابلشان رخ می‌دهد. با انجام این‌کار به ذره‌ای برخوردند که دارای دو گروه الکترون با باند انرژی متفاوت از هم بودند و با شدت یکسان خارج از فاز تاب می‌خوردند.

ازآنجاکه این ذره با نور تعامل برقرار نمی‌کند، شناسایی آن فقط با یک دستگاه بدون استاندارد ممکن می‌شد. آن‌ها برای مطالعه ویژگی‌های استرانسیم روتنات، به‌جای استفاده از نور، الکترون‌ها را به آن شلیک کردند.

روش مورد استفاده آن‌ها نوعی طیف‌سنجی تکانه الکترون بود. آن‌ها نمونه را در معرض پرتویی از الکترون‌های بسیار پرشتاب قرار دادند تا ببینند الکترون‌ها در اثر تعامل با الکترون‌های درون ماده مورد آزمایش چگونه پراکنده می‌شوند.

تأیید وجود ذره شیطان پس از انجام آن آزمایش نامتعارف توسط تیمی از فیزیک‌دان‌های «دانشگاه ایلینوی در اِربانا-شمپین» در ایالات‌متحده و «دانشگاه کیوتو» در ژاپن انجام شد که مقاله خود را در ژورنال Nature منتشر کردند. آن‌ها وقتی این ذره را شناسایی کردند که اصلاً به دنبالش نبودند، درحالی‌که درست در مسیر کشف آن حرکت می‌کردند.

ذره شیطان و ابررسانایی

این رفتار الکترون‌ها است که خصوصیات فلزها و جامدات دیگر تعیین را می‌کند. ویژگی‌هایی مثل شفافیت، رسانندگی گرمایی، مغناطیس و ابررسانایی. همه این‌ها نتیجه حرکت الکترون‌ها و تعامل آن‌ها با یکدیگر است. ذره شیطان که حدود 70 سال پیش احتمال وجود آن در یک ابررسانا داده شده بود می‌تواند به حل معمای نحوه عملکرد ابررساناها کمک کند.

ابررسانایی پدیده‌ای است که به‌وسیله آن یک‌بار بار بدون مقاومت درون ماده حرکت می‌کند. این امر در تئوری انرژی الکتریکی را قادر می‌سازد بین دو نقطه با بازده عالی و بدون ایجاد گرما منتقل شود. ابررسانایی نخستین‌بار در سال 1911 توسط فیزیک‌دان هلندی «هایک کامرلینگ اونس» کشف شد، زمانی که شاهد افت ناگهانی مقاومت الکتریکی میله جیوه‌ای در دمای بسیار پایین بود. به‌طور کلی، ابررسانایی در دماهای پایین مشاهده می‌شود که اغلب نزدیک به دمای صفر مطلق است، معادل صفر کلوین یا 15/273- درجه سانتی‌گراد.

«دیوید پاینز» در سال 1956 وجود ذره شیطان را نظریه‌پردازی کرد. اکنون پس از گذشت نزدیک به 70 سال، دانشمندان آمریکایی و ژاپنی به‌طور مستقیم این ذره را در فلز استرانسیم روتنات کشف کردند.

طبق پیش بینی پاینز، این ذره درون فلزات خاصی ظاهر می‌شود؛ هنگامی‌که دو گروه الکترون با باند انرژی متفاوت دو پلاسمون را تشکیل می‌دهند. به نوسانات الکترون‌های آزاد در یک محیط پلاسمایی، «پلاسمون» می‌گویند. به بیانی دیگر، پلاسمون موج یا حرکت مواجی در الکترون‌های یک پلاسما است که بسیار شبیه به یک ذره رفتار می‌کند پس ذره شیطان یک پلاسمون و یک ذره کوازی است. حرکت دسته‌جمعی الکترون‌ها که به شکل برانگیزش است به‌عنوان ذرات کوازی شناخته می‌شود.

نظریه‌پردازان بر این باورند که پلاسمون‌ها ابررسانایی را در مواد تسهیل می‌کند. اگر فیزیک‌دان‌ها پی ببرند پلاسمون‌ها چگونه این کار را انجام می‌دهند، می‌توانند از ذره شیطان در انتقال الکتریسته بدون اتلاف انرژی بهره ببرند.

شبه ذرات

شبه ذره عجیب، خنثی و بی جرمی که به‌تازگی کشف شده و ذره شیطان نام دارد یک ذره کوازی (Quasiparticles) است. بنابراین آشنایی با ذرات کوازی به درک بهتر ماهیت این ذره کمک می‌کند.

توصیف حرکت الکترون‌ها که ذراتی زیراتمی با بار الکتریکی منفی هستند به کمک ریاضیات ساده‌تر می‌شود. می توان حرکات آن‌هارا به گروهی از مولکول‌های آب تشبیه کرد که به هم می‌پیوندند تا شکل مایع به خود بگیرند. هنگام مطالعه پویایی سیالات، ماده مایع باید به شکل یک ماهیت کلی در نظر گرفته شود تا محاسبات آسان‌تر انجام شوند.

ذرات کوازی یا شبه ذرات به حرکات و برانگیزش دسته‌جمعی الکترون‌ها اشاره دارد. این حرکات شبیه به امواجی هستند که روی سطح دریاچه‌ها دیده می‌شوند یا گروهی از افراد که در یک استادیوم یا سالن کنسرت هماهنگ با هم موج ایجاد می‌کنند. این امواج مستقل و جدا از یکدیگر هستند. ذرات کوازی نیز تا حد زیادی به این امواج شباهت دارند. این الگوهای رفتاری زمانی شکل می‌گیرند که تعداد زیادی ذره کوچک مانند الکترون‌ها گرد هم آیند تا عملکردی جالب از خود نشان دهند.

اگر چه تاکنون بسیاری از ذرات کوازی و نیز رفتار الکترون‌ها به‌طور گسترده مطالعه و مشاهده شده‌اند اما تحرکاتی از ذرات نیز بوده‌اند که در تئوری پیش‌بینی شده‌اند و هرگز به‌صورت تجربی مورد آزمایش قرار نگرفته‌اند.

ذره شیطان چیست؟

ذره شیطان یک ذره عجیب است که از زمان مطرح شدن نظریه ذره شیطان در سال 1956 تاکنون نادیده گرفته شده بود. نخستین‌بار یک فیزیک‌دان نظری به نام «دیوید پاینز» آن را نظریه‌پردازی کرد. علت ناشناخته ماندن آن در 67 سال گذشته ویژگی‌هایی است که دارد. این ذره بسیار کوچک، بدون جرم، بدون بار یعنی از لحاظ الکتریکی خنثی، دارای عمر کوتاه و شفاف است؛ یعنی نور را از خود عبور می‌دهد و با آن تعامل برقرار نمی‌کند. از این رو، با روش‌ها و فناوری‌های قدیمی‌تر قابل شناسایی نبوده است.

طبق نظریه پاینز، الکترون‌هایی که از یک ماده جامد عبور می‌کنند رفتارهای منحصر به فردی از خود نشان می‌دهند که می‌توانند منجر به شکل‌گیری ماده جدیدی شوند. پاینز آن را «ذره شیطان» (Demon particle) نامید.

ذره شیطان همچنین قادر است پلاسمون بسازد. پلاسمون‌ها واحدهای جمعی الکترون‌ها هستند که مانند موج رفتار می‌کنند. آن‌ها در ابررسانایی نقش مهمی دارند. بار و جرم پلاسمون‌ها از برهم‌کنش بین الکترون‌ها ناشی می‌شود. محتمل است که ذره شیطان در به جریان افتادن الکترون‌ها به‌سوی یکدیگر دخالت داشت باشد.
کشف ذره شیطان در تعیین رفتار الکترونیکی فلزات مختلف و نیز ابررساناها نقشی بسیار مهمی دارد. همچنین می‌تواند به ساخت مواد ابررسانای جدید کمک کند که در دمای اتاق عمل می‌کنند؛ کاری که پیش از این ممکن نبود چون تولید پلاسمون مستلزم انرژی فوق‌العاده زیادی است.