کشف «فاز پنهان ماده» پس از دههها پیشبینی نظری
به گزارش آذرنگارنده: کشف «فاز پنهان ماده» پس از دههها پیشبینی نظری دانشمندان سرانجام موفق شدند حالتی از ماده را که دههها تنها در مدلهای نظری پیشبینی شده بود، در آزمایشگاه مشاهده و پایدار کنند. این دستاورد توسط پژوهشگران دانشگاه براون و دانشکده مهندسی دانشگاه میشیگان به دست آمده و میتواند درک ما از ساختار […]
به گزارش آذرنگارنده:
کشف «فاز پنهان ماده» پس از دههها پیشبینی نظری
دانشمندان سرانجام موفق شدند حالتی از ماده را که دههها تنها در مدلهای نظری پیشبینی شده بود، در آزمایشگاه مشاهده و پایدار کنند. این دستاورد توسط پژوهشگران دانشگاه براون و دانشکده مهندسی دانشگاه میشیگان به دست آمده و میتواند درک ما از ساختار مواد و حتی فناوریهای کوانتومی آینده را متحول کند.
در این پژوهش که نتایج آن در نشریه Science منتشر شده، دانشمندان با استفاده از نانوذرات مهندسیشده نقره بهعنوان بلوکهای سازنده، ساختاری جدید ایجاد کردند که یک حالت گذرا و ناپایدار میان دو نوع رایج آرایش بلوری در فلزات را تثبیت میکند.
این حالت میانجی پیش از این تنها در نظریهها مطرح شده بود، زیرا چنین ساختارهایی معمولاً بسیار ناپایدار هستند و به سرعت به شکلهای پایدارتر تبدیل میشوند.
به گفته او چن، استاد شیمی در دانشگاه براون و یکی از نویسندگان اصلی این پژوهش:
«کار ما تا حدی شبیه بازی با لگو است. ما بلوکهای ساختمانی در مقیاس نانو میسازیم و آنها را در ساختارهای جالب کنار هم قرار میدهیم. در این مطالعه توانستیم ساختارهای گذرایی را که قبلاً فقط در نظریه پیشبینی شده بودند تثبیت کنیم و ویژگیهای مهم نوری کوانتومی آنها را نشان دهیم.»
گذار میان دو ساختار بلوری رایج
در بسیاری از فلزات، اتمها بهطور طبیعی در یکی از دو آرایش بلوری قرار میگیرند:
- ساختار مکعبی مرکزپر (Face-Centered Cubic – FCC)
- ساختار مکعبی مرکزبدنه (Body-Centered Cubic – BCC)
در ساختار FCC، ذرات در گوشههای مکعب و مرکز هر وجه قرار میگیرند و بهصورت فشرده در کنار هم چیده میشوند. در ساختار BCC نیز ذرات در گوشههای مکعب و یک نقطه در مرکز آن قرار دارند. این دو الگو از رایجترین آرایشهای اتمی در فلزات هستند.
برخی فلزات هنگام تغییر دما میتوانند بین این دو ساختار جابهجا شوند. برای مثال، آهن در دمای حدود ۹۱۲ درجه سانتیگراد از ساختار BCC به FCC تغییر میکند.
یکی از مدلهای شناختهشده برای توضیح این فرایند، مسیر نیشییاما–واسرمن (Nishiyama–Wassermann) است که مجموعهای از ساختارهای موقت و گذرا را در طول این تبدیل پیشبینی میکند. با این حال، مشاهده مستقیم این حالتهای میانجی بسیار دشوار بوده است، زیرا این ساختارها بهشدت ناپایدارند.
تثبیت ساختارهای گذرا با نانوذرات
پژوهشگران برای بازسازی این حالتهای گذرا از نانوذرات نقرهای استفاده کردند که «مِکان» (Mecon) نام دارند. شکل این ذرات شبیه هشتوجهیِ ناقص است؛ ساختاری ۱۴ وجهی که میتوان آن را شکلی میان کره و مکعب در نظر گرفت.
محققان با کنترل دما در فرایند سنتز توانستند ذراتی با شکلهای متفاوت—از گردتر تا مکعبیتر—تولید کنند. سپس سطح این ذرات با زنجیرههای مولکولی بلند پوشانده شد تا مانند چسب عمل کرده و در هنگام خودآرایی به اتصال آنها کمک کند.
با کنار هم قرار گرفتن این ذرات در شبکههای منظم نانومقیاس، ساختارهایی شکل گرفت که دقیقاً همان فازهای انتقالی پیشبینیشده در مدل نیشییاما–واسرمن را بازسازی کردند.
به گفته تیم مور، از پژوهشگران این مطالعه:
«این پوششهای مولکولی مانند موهای انعطافپذیر عمل میکنند؛ به ذرات اجازه میدهند کمی جابهجا شوند، اما در عین حال بهخوبی در هم قفل شوند.»
رفتار نوری کوانتومی غیرمنتظره
یکی از نتایج شگفتانگیز این پژوهش، مشاهده رفتارهای نوری کوانتومی خاص در ساختارهای جدید بود.
وقتی نور به این شبکههای نانوذرهای تابیده شد، الکترونهای داخل نانوذرات نقره با موجهای نور بهصورت هماهنگ نوسان کردند و نوعی پدیده موسوم به جفتشدگی قوی نور و ماده رخ داد؛ حالتی که در آن نور و الکترونها به شکل کوانتومی به هم وابسته میشوند.
چنین اثراتی معمولاً فقط در دمای بسیار پایین مشاهده میشوند، اما در این ماده جدید نشانههایی از این رفتار در دمای اتاق دیده شده است.
به گفته پژوهشگران، این ویژگی میتواند این ساختار را به بستری مناسب برای توسعه رایانش کوانتومی، حسگرهای کوانتومی و فناوریهای اطلاعات کوانتومی تبدیل کند.
او چن میگوید:
«هر زمان که یک فاز جدید از ماده کشف شود، دیر یا زود کاربردهای تازهای نیز از دل آن پدید میآید.»