فلزات عجیب قوانین فیـزیک را دور می‌زنند!
دانشمندان به‌تازگی به کشف دیگری رسیده‌اند و آن این است که فلزاتی به نام فلزات عجیب، رفتارهای الکترونیکی سردرگم‌کننده‌ای از خود نشان می‌دهند.
ضمیمه دانش امروز روزنامه اطلاعات نوشت: فلزات به‌طورکلی دارای ویژگی‌هایی نظیر رسانایی الکتریکی بالا، رسانایی گرمایی بالا و چگالی بالا هستند. می‌دانیم که فلزات رسانای خوبی هستند؛ یعنی جریان الکتریکی را به‌خوبی هدایت و منتقل می‌کنند. ازاین‌رو برای ساخت و تولید وسایل الکتریکی و نیز انتقال الکتریسیته در یک مسافت طولانی بدون از دست رفتن مقدار زیادی انرژی بسیار ارزشمند هستند.
در فلزات معمولی، الکترون‌های خاصی که به آن‌ها الکترون‌های ظرفیت گفته می‌شود آزادانه درون ماده جریان می‌یابند و زمانی که یک میدان الکتریکی آن‌ها را به پیش می‌راند، بار الکتریکی منفی خود را حمل می‌کنند. این حرکت همان جریان الکتریکی است. الکترون یک ذره زیراتمی است که در سال 1897 کشف شد؛ یعنی زمانی که فیزیکدان‌ها شروع کردند ویژگی‌های آماری ذرات در تعداد زیاد را تعیین و تعریف کنند.
اکنون با گذشت چند قرن، فیزیکدان‌ها شناخت خوبی از فلزات و ویژگی‌های الکترون‌ها دارند. ظاهر براق فلزات و خنکی که هنگام لمس آن‌ها احساس می‌کنیم دو ویژگی هر فلز هستند که هر دو نتیجه حرکت و برهم‌کنش الکترون‌ها ایجاد می‌شوند. به‌عنوان مثال، درخشش یک فلز ناشی از قابلیت آن در هدایت الکتریسیته حتی در فرکانس‌های بسیار بالای نور مرئی است. حس سردی که فلز به دست ما می‌دهد نیز ناشی از قابلیت آن در انتقال گرما است که حتی بهتر از مواد عایقی مثل شیشه یا چوب عمل می‌کند.
تاکنون دانشمندان مطالعات زیادی روی فلزات و نحوه رفتار الکترون‌ها در عبور از آن‌ها انجام داده‌اند و به نتایج سودمندی رسیده‌اند که به پیشرفت فناوری‌ها کمک زیادی کرده‌اند اما دنیای مواد دارای ناشناخته‌های زیادی است و هنوز هم خواص تازه‌ای از آن‌ها کشف می‌شوند. در مورد فلزات، دانشمندان به‌تازگی به کشف دیگری رسیده‌اند و آن این است که فلزاتی به نام فلزات عجیب، رفتارهای الکترونیکی سردرگم‌کننده‌ای از خود نشان می‌دهند.
چنین به نظر می‌رسد که در فلزات عجیب، الکترون‌ها هویت منفرد و جداگانه خود را از دست می‌دهند و مانند سوپی رفتار می‌کنند که در آن همه ذرات با درهم‌تنیدگی کوانتومی به‌هم متصل شده‌اند. حتی عملکرد فیزیکی این الکترون‌ها که برهم‌کنش شدیدی با یکدیگر دارند می‌تواند بازتابی از چگونگی برخی از عملکردهای ذرات در افق سیاهچاله‌ها باشد. فیزیکدان‌ها امیدوارند که بامطالعه این موارد همه فلزات و پدیده‌های که در مواد جامد رخ می‌دهند را بهتر بشناسند.
رساناها، ابررساناها و عایق‌ها هر کدام با فازهای مختلف ماده مطابقت دارند. در هر کدام از این‌ها، گروه الکترونی شکل متفاوتی به خود می‌گیرد. طی دو دهه‌ی اخیر، فیزیکدان‌ها بازهم فازهای الکترونی بیشتری را در مواد جامد کشف کرده‌اند. یک مثال بسیار جالب‌توجه همین فلزات عجیب هستند و ویژگی بارز آن‌ها این است که در مقایسه با فلزات معمولی مقاومت الکتریکی آن‌ها متناسب با دما تغییر می‌کند.
نخستین تلاش‌ها در اِعمال قوانین فیزیک بر نحوه عملکرد مواد جامد از این اصل آغاز شد که الکترون‌های یک فلز مانند مولکول‌های گاز رفتار می‌کنند. اما در اواخر دهه‌ی 1920نخستین انقلاب کوانتومی رخ داد و ثابت شد که الکترون‌ها نیز مانند همه ذرات کوانتومی دارای خواص موجی هستند.
حدود هفتاد سال پیش، فیزیکدان روس «لِو لاندو» و همکاران او نظریه مایع فِرمی را طی مطالعات خود برای شناخت بهتر برهم‌کنش بین الکترون‌ها در فلزات ارائه دادند. مایع فِرمی یک حالت کوانتومی ماده است که در بیشتر فلزات کریستالی در دمای پایین دیده شده است.
مایع فِرمی دارای «فرمیون» است؛ ذره‌ای که نام آن از نام «انریکو فرمی»، فیزیکدان ایتالیایی ـ آمریکایی گرفته شده‌است. فرمیون‌ها ذراتی شامل همه کوارک‌ها، لپتون‌ها و ذرات مرکبی مثل باریون‌ها، اتم‌ها و هسته‌های اتمی هستند. به‌طورکلی هرذره‌ای که از اصل طرد پائولی پیروی می‌کند یک فرمیون است. بنابراین فرمیون می‌تواند یک ذره بنیادی مثل الکترون یا یک ذره مرکب مثل پروتون باشد. طبق اصل طرد پائولی، یک فرمیون در یک‌لحظه می‌تواند یک حالت کوانتومی خاص را داشته باشد. به‌عبارتی‌دیگر، اصل پائولی بیان می‌کند که هیچ دو الکترونی یا به‌طورکلی هیچ دو فرمیون مشابهی نمی‌توانند حالت کوانتومی یکسانی داشته‌باشند.
مایع فرِمی دارای ویژگی‌های ترمودینامیک، مغناطیس و رسانایی الکتریکی است. الکترون‌هایی که در یک مایع فِرمی برهم‌کنش دارند، شبه ذره را به وجود می‌آورند؛ حالت برانگیخته‌ای که تمامی ویژگی‌های یک ذره مانند بار، اسپین، تکانه و انرژی را دارد با این تفاوت که فقط زمانی به وجود می‌آید که در یک سامانه بزرگ‌تر ادغام شود. درواقع، شبه ذرات نتیجه برهم‌نش الکترون‌ها هستند. برای درک بهتر شبه ذره، فردی را تجسم کنیم که در یک اتاق شلوغ تلاش می‌کند راه خود را باز کند. طبیعی است که سرعت حرکت او قابل‌مقایسه با سرعت او هنگام حرکت در یک اتاق خالی نیست؛ چون حرکتش تحت تأثیر وجود افراد دیگر در اتاق و برخورد با آن‌ها قرار گرفته است، افرادی که به‌نوبه خود باید جابه‌جا شوند تا این فرد بتواند عبور کند.
فیزیکدان‌ها با مشاهده اَعمالی که الکترون‌ها به‌طور دسته‌جمعی به‌عنوان شبه‌ذرات انجام می‌دهند پیش‌بینی‌های قابل آزمایشی را انجام داده‌اند که بارها در آزمایش روی فلزاتی مانند طلا، نقره، مس و آلومینیوم تأیید شده‌است. برای مثال، مقاومت الکتریکی یک مایع فِرمی در دمای پایین باید به نسبت مجذور دما متفاوت باشد و آزمایش‌ها نشان می‌دهند که همین‌طور است.
در سال‌های اخیر فیزیکدان‌ها بیش از ده‌ها ماده را کشف کرده‌اند که به‌وضوح فلز هستند؛ یعنی مقاومت الکتریکی آن‌ها با دما کاهش می‌یابد اما مایعات فِرمی نیستند. این مواد همان فلزات عجیب هستند. در این فلزات عجیب، مقاومت به‌طور خطی با دما تغییر می‌کند نه متناسب با مجذور دما. ازجمله موادی که این ویژگی را دارند اکسید مس، ابررساناهای ساخته شده با اکسید مس و آهن هستند. بعضی از مواد متشکل از فرمیون‌های سنگین و لایه‌های دوگانه گرافن هستند. بیشتر آن‌ها در آزمایشگاه تحت آزمایش‌هایی قرار می‌گیرند که روی مواد و فلزات شناخته شده انجام می‌شوند تا نزدیک به دو فاز ماده باشند، به‌عنوان مثال، بین یک ابررسانا و یک فلز یا بین حالت‌های مغناطیسی مختلف.
این فلزات عجیب در نگاه نخست چندان قابل‌توجه به نظر نمی‌رسند. اگرچه بیشتر از این‌که نرم و چکش خور باشند سخت و شکننده هستند اما عجیب بودن آن‌ها در دمای اتاق نمایان نمی‌شود چون انرژی گرمایی آثار کوانتومی را از بین می‌برد. بسیاری از فلزات تا وقتی‌که به نقطه کوانتومی بحرانی به‌خصوصی نزدیک نشوند ازلحاظ دما، فشار و سایر پارامترها فلزاتی کاملاً معمولی به‌نظر می‌رسند. در این نقطه بحرانی، زمانی که به صفر مطلق نزدیک می‌شوند، از یک فاز عادی عبور کرده و به فاز دیگر می‌روند؛ برای مثال، دو فاز فلزی معمولی با خواص مغناطیسی متفاوت. اما وقتی در معرض دماهای بالاتر و انرژی‌های بیشتری قرار می‌گیرند، به فلزات عجیب تبدیل می‌شوند.
وابستگی فلزات عجیب به تغییرات دما وقتی درجه آن پایین است ممکن است ناچیز و بی‌اهمیت به نظر برسد اما برعکس این تغییر با اهمیت بوده و به معنای شکست نظریه مایع فِرمی و به عقیده برخی از دانشمندان، فروپاشی تصویر شبه‌ذراتِ الکترون‌های برانگیخته است. در غیاب شبه‌ذرات، گویی الکترون‌ها فردیت خود را از دست می‌دهند و در قالب یک مجموعه مانند اجزای یک سوپ با هم تعامل قوی برقرار می‌کنند که در آن همه ذرات به‌شدت در‌هم‌پیچیده هستند. درهم‌تنیدگی نوعی اتصال کوانتومی است؛ پیوندی که سبب می‌شود سرنوشت ذرات به‌هم تنیده شود. زمانی که الکترون‌های فلزات به‌شدت در‌هم تنیده می‌شوند رفتار جمعی آن‌ها تغییر می‌کند.
مقیاس زمانی که در آن الکترون‌ها میزان حرکت در بسیاری از فلزات عجیب را توزیع می‌کنند پلانکی است؛ بدین معنی که مکانیک کوانتومی و دما حاکم بر آن هستند و این دو از طریق ثابت پلانک این مقیاس زمانی را تعیین می‌کنند. ثابت پلانک یک ثابت طبیعی در فیزیک است که انرژی فوتون را به بسامد آن مرتبط می‌کند. این ثابت را فیزیکدان آلمانی کشف کرد و به دلیل مطالعاتش درزمینه نظریه کوانتوم جایزه نوبل دریافت کرد.
این ویژگی که در تمامی فلزات عجیب دیده می‌شود و نیز این واقعیت که خاصیت فلزیت عجیب در بسیاری از مواد ظاهر می‌شود نشان می‌دهد که یک اصل سازماندهی‌کننده عمیق‌تر در فلزات عجیب مداخله می‌کند. برخی از مدل‌های نظری که برای توصیف پدیده‌های فلزات عجیب ارائه شده‌اند حتی رفتار الکترون‌ها را به فیزیک افق رویداد در اطراف سیاهچاله‌ها ربط می‌دهند.تجربه‌گرایان با الهام گرفتن از این دیدگاه از خود می‌پرسند چگونه می‌توانند بفهمند آیا الکترون‌ها در همکاری با یکدیگر مانند اجزاء یک سوپ کوانتومی عمل می‌کنند یا به‌عنوان شبه‌ذرات الکترونیکی رفتاری تقریباً مستقل دارند؟ همچنین با توجه به این‌که همه الکترون‌ها برایشان قابل‌مشاهده نیستند، چگونه با ابزارهای محدودی می‌توانند به‌طور تجربی مدل‌های مختلف را ازهم تشخیص دهند؟
چهار رویکرد تجربی برای پاسخ به این پرسش‌ها وجود دارند. رویکرد نخست شامل استفاده از پرتو الکترونی به‌منظور تأمین مقادیر دقیق انرژی و حرکت برای الکترون‌های فلز است. به این فرایند طیف‌نگاری اتلاف انرژی الکترون گفته می‌شود. فیزیکدان‌ها با تعیین چگونگی جذب انرژی و حرکت توسط کل سیستم الکترون‌ها می‌توانند نقش شبه‌ذرات معمولی و سوپ کوانتومی جمعی را از هم تشخیص دهند.
رویکرد یا تکنیک دوم مبتنی بر روش‌های بسیار دقیقی است که به‌تازگی برای مطالعه نحوه گردش جریان داخل مواد ابداع شده‌است. در این رویکرد، فیزیکدان‌ها از حسگرهای میدان مغناطیسی فوق‌العاده حساس استفاده می‌کنند. یکی از این حسگرها یک حلقه ابررسانای کوچک است که ولتاژی دقیقاً مرتبط با مقدار میدان مغناطیسی جریان‌یافته از درون حلقه تولید می‌کند. حسگر دیگری از یک کریستال الماس دارای نقص ساخته شده‌است. این نقص به‌خصوص ناشی از نبود یک اتم کربن است که جالی خالی ایناتم را یک اتم نیتروژن اشغال کرده‌است.
این نقص، «نیتروژن ـ تهی جایی مرکزی» (NV)نام دارد و یکی از بی‌شمار انواع نقص‌ها در الماس است. مفیدترین ویژگی نقص NV مرکزی، نورتابناکی آن است. ویژگی‌های نوری سبب می‌شوند میدان مغناطیسی محلی به یک حسگر بسیار خوب تبدیل شود. پژوهشگرها با نقشه‌برداری از میدان‌های مغناطیسی که در نزدیکی یک فلز عجیب قرار دارند می‌توانند به جزئیات جریان الکتریکی پی ببرند. ازجمله این جزئیات نشانه‌های همکاری الکترون‌ها با یکدیگر و نیز دریایی از الکترون است که مانند یک سیال با چسبناکی (گران روی) بسیار کم رفتار می‌کند.
رویکرد سوم شامل استفاده از نورشناسی به‌منظور مطالعه انتقال و بازتاب نور در طول موج‌های بین 100 نانومتر تا 1 میلی‌متر است. دانشمندان از این رویکرد برای پی بردن به این‌که چگونه فرایند هدایت جریان الکتریکی ازجمله انتشار به فرکانس میدان الکتریکی بستگی دارد استفاده می‌کنند.
سرانجام در رویکرد چهارم نوسانات جریانی که در یک فلز عجیب گردش می‌کند اندازه‌گیری می‌شود. پژوهشگران با اندازه‌گیری نوسانات جریان در‌می‌یابند چه مقدار بار در زمانی معین منتقل می‌شود.
فلزات عجیب آشکارکننده شکست خوردن یکی از موفق‌ترین مدل‌های فیزیکی برای توصیف جامدات هستند اما فیزیکدان‌ها این شکست را دعوت به اکتشاف تلقی می‌کنند. این فلزات صرفاً موضوع مطالعاتی از روی کنجکاوی نیستند بلکه در فناوری‌هایی که نیازی فوری به آن‌ها احساس می‌شود نیز نقش مهمی دارند. دانشمندان بروز ویژگی ابررسانایی در دمای نسبتاً بالا را در چندین خانواده از فلزات عجیب مشاهده کرده‌اند. بنابراین شناخت عمیق این فلزات به ساخت ابررساناهایی که در دمای اتاق یا نزدیک به آن عمل می‌کنند کمک می‌کند. ساخت چنین ابررساناهایی شبکه‌های برق، انفورماتیک کوانتومی و دستگاه‌های پزشکی را متحول خواهد کرد.
