مشاهده شبه‌ذره فرمیون‌های وایل پس از 85 سال / ایده وایل‌ترونیک

[mahdavi3d 14,067]

این خبر مربوط به حدود دو ماه پیش است، با این وجود بد ندیدم اینجا به اشتراک گذاشته شود:

با گذشت ۸۵ سال از آغاز جست‌وجو پی «فرمیون‌های وایل» (شبه‌ذراتی که می‌توانند آینده الکترونیک را همان‌قدر از آن خود کنند که هم‌اینک الکترون کرده)، سرانجام این شبه‌ذرات توسط دو تیم از فیزیکدانان دانشگاه پرینستون و همچنین مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT)، مستقلاً آشکارسازی شدند.
 

گروهی از محققین بین‌المللی دانشگاه پرینستون، که به موفق به کشف فرمیون‌های وایل از طریق تأسیسات فوق، در بلورهای آرسنید تانتال شده‌اند
عکس از دنیل آلیو. برای اندازه بزرگتر اینجا کلیک کنید

 

فرمیون وایل چیست و چرا اهمیت دارد؟
الکترون‌ها، پروتون‌ها، و نوترون‌ها (که هر سه را در فیزیک دبیرستان، به‌عنوان مبادی سازنده ماده شناخته‌ایم)، به رده کلّی‌تری از ذرات زیراتمی، موسوم به «فرمیون»‌ها تعلق دارند. فرمیون‌ها برخلاف دیگر رده اصلی ذرات زیراتمی، یعنی «بوزون»‌ها – که «حامل» نیرو تلقی می‌شوند (همچون ‌فوتون‌های نور) – می‌توانند که به همدیگر برخورد کنند و همچنین مکانی مشخص را به خود اختصاص دهند – چراکه هیچ دو فرمیونی نمی‌توانند همزمان در وضعیت مکانی مشابهی واقع شده باشند.

در سال ۱۹۲۸، فیزیکدان سرشناس بریتانیایی پل دیراک موفق شد که معادله ناظر بر رفتار فرمیون‌ها را استخراج، و بدین‌وسیله وجود ذره‌ای هم‌جرم الکترون اما با بار مثبت را پیش‌بینی کند – ذره‌ای موسوم به «پوزیترون»؛ که چهار سال بعد از آن کشف شد. با این وجود، معادله دیراک را به شیوه‌های دیگری هم می‌توان حل کرد، که نتیجه‌اش اثبات امکان‌پذیری وجود ذراتی حتی عجیب‌تر از پوزیترون‌ها خواهد بود: به‌عنوان نمونه، در سال ۱۹۳۷ بود که فیزیکدان ایتالیایی اتوره ماجورانا موفق شد راه حلی را برای معادله دیراک استخراج کند که ذره هم‌ارز آن، پادذره خود نیز می‌بود. این نوع فرمیون‌های عجیب که به «فرمیون‌های ماجورانا» مشهور شدند، فاقد ماهیت ذره‌ای‌ هستند و خود را به هیأت مجموعه‌کنش‌هایی «شبه‌ذره‌ای» به نمایش می‌گذارند.

در سال ۱۹۲۹ نیز ریاضیدان و فیزیکدان آلمانی، هرمان وایل موفق به استخراج پاسخی برای معادله دیراک، این‌بار مبتنی بر فرض وجود ذراتی «فاقد جرم» شده بود – فرمیون‌های فرضی‌ای که از آن پس به «فرمیون‌های وایل» (Weyl Fermions) معروف شدند. انتظار می‌رفته که فرمیون‌های وایل هم به‌واسطه فقدان جرم‌شان، رفتاری شبه‌ذره‌‌ای از خود بروز بدهند. این نوع‌ از فرمیون‌ها که از الکترون‌ها هم بنیادی‌ترند (به‌طوری‌که از ادغام دو فرمیون وایل می‌توان یک ‌شبه‌الکترون بی‌جرم داشت) به‌واسطه بی‌جرم بودن‌شان می‌توانند عملکرد بهینه‌تری در رد و بدل بار الکتریکی نسبت به الکترون‌ها به نمایش بگذارند. به عبارت بهتر، سرعت رد و بدل جریان الکتریسیته از طریق این شبه‌ذرات، دو برابر سرعت این جریان در ترکیبات رسانای نوآورانه‌ای همچون گرافین، و نیز هزار برابر جریان الکتریسیته در نیمه‌رساناهای معمولی است.

از این گذشته، فرمیون‌های وایل برخلاف الکترون‌ها نمی‌توانند مسیر رفته را بازگردند (و فرضاً از سطحی «منعکس» بشوند)، بلکه همچون شبح از بین موانع می‌گذرند؛ و این‌ها همه حاکی از موقعیت مطلوب این شبه‌ذرات برای نقش‌آفرینی کلیدی‌شان در نسل آتی سامانه‌های الکترونیک، از طریق تولید شبه‌الکترون‌هایی بی‌جرم است – هرچند که باید از آن پس این شاخه را چیزی شبیه «وایل‌ترونیک» نامید.
تا مدت‌ها تصور می‌رفت که آنچه هم‌اینک ذره «نوترینو» نامیده می‌شود همان فرمیون وایل است؛ اما در سال ۱۹۹۸ و با کشف این‌که نوترینوها واجد جرمی فوق‌العاده اندک‌اند (و لذا فاقد جرم نیستند)، چنین احتمالی به بن‌بست خورد.

فرمیون‌ها در بلورهای آرسنید تانتال
۸۵ سال از پی آغاز جست‌وجوها پی این موهبت زیراتمی، تیمی از فیزیکدانان دانشگاه‌ پرینستون و نیز آکادمی علوم چین موفق شده‌اند که این ‌شبه‌ذره را در یک بلور فلزیِ ترکیبی‌ از جنس آرسنیدِ تانتال (TaAs) تشخیص بدهند – موقعیتی نسبتاً متفاوت و البته کم‌سروصداتر از آنچه در تأسیسات عریض و طویل یک شتاب‌دهنده در جریان است.

همین فرآیند نسبتاً کم‌دردسرتر البته مزیّتی‌ست که از ثبات فیزیکی، و امکان‌پذیری بازتولید فرمیون‌های وایل در جهان ماکروسکوپیک حکایت دارد – چراکه تقریباً تمام ذرات تولیدشده در قلب شتاب‌دهنده‌ها فوق‌العاده ناپایدار و غیرقابل تثبیت‌اند. البته فرمیون‌های وایل را هم نمی‌توان به‌تنهایی و به‌نحوی مجزّای از بلورهایی همچون آرسنید تانتال (که به «نیمه‌فلزات وایل» معروف‌اند) فرآوری کرد، بلکه در واقع باید آن‌ها را کنش‌های الکتریکی منحصربفردی در ساختار شیمیایی این بلورها پنداشت که رفتاری مشابه ذراتِ واقع در خلأ از خود بروز می‌دهند – و لذا موجودیت‌شان، از این بلورها غیرقابل تفکیک است. همزمان با این کشف، تیمی از پژوهش‌گران MIT و همچنین دانشگاه ژیژیانگ چین هم موفق‌ به تشخیص فرمیون‌های وایل، این‌بار در ترکیبی از یک جنس دیگر شده‌اند.

این تازه شروع راهی‌ست که آینده‌ بس درخشانی را می‌توان برایش متصور بود – کمااینکه زاهد حسن، از محققین حاضر در تیم دانشگاه پرینستون اعلام کرده که آن‌ها هم‌اینک درصددند تا ببینند آیا می‌توان فرمیون‌های وایل را در بلورهای نیمه‌فلزی مبتنی بر عناصر مقرون‌به‌صرفه‌تری نظیر نیوبیوم و سیلسیوم هم فرآوری کرد یا خیر.

۲۴ مرداد ۱۳۹۴
احسان سنایی

www.radiozamaneh.com/232718

همچنین دو منبع به زبان انگلیسی:
http://physicsworld.com/cws/article/...d-at-long-last
http://www.gizmag.com/massless-parti...inceton/38527/

[Moghaddam 1,985]

بسم الله الرحمن الرحیم

 

اولا بسیار تشکر میکنم از تلاش شما

 

امیدوارم بشود زودتر گراویتون رو کشف کرد (البته با فرض وجودش)

 

سوال1 : اگر مثل شبح از موانع میگذرند پس چطور میشود از آنها استفاده کرد؟

 

سوال2 : این شبه دره ها دقیقا در کجای مدل استاندارد قرار میگیرند؟

[generalx 212]

تاپیک که خیلی فنی باشه اینجوری میشه پشه پر نمی زنه یهنی کلا فیزیک هسته ای مخ ادمو می سوزونه :laughing:  :laughing:  :laughing:

[Moghaddam 1,985]

تاپیک که خیلی فنی باشه اینجوری میشه پشه پر نمی زنه یهنی کلا فیزیک هسته ای مخ ادمو می سوزونه :laughing:  :laughing:  :laughing:

 

البته در کمال احترام فکر کنم این مسئله بیشتر به فیزیک ذرات بنیادی مربوط باشه!

[mahdavi3d 14,067]

خوشحالم که مورد توجه دوستان قرار گرفت.

 

باید عرض شود فیلدی که این موضوع در آن مطرح شده به طور عمومی فیزیک ماده چگال نامیده می‌شود؛ شاخه‌ای از علم فیزیک است که به بررسی خواص ماده در فازهای چگالیده می‌پردازد. در اینجا به طور خاص surface state physics و Topological band theory محور ماجرا است.

 

هرچند دانش بنده برای پاسخگویی به پرسش‌هایی که جناب Moghaddam مطرح کردند کفایت نمی‌کند اما دست‌ کم در مورد پرسش اول برداشتم این است که با توجه به مقایسه موبیلیتی نسبت به نیمه‌هادی‌های نوعی و نیز گرافین، (به ترتیب ضرایب 1000 و 2 گفته شده است) و خیلی نامتعارف نبودن این ضرایب، به نظر می‌رسد آن تعبیر شبح، دست کم در چهارچوب بحث فعلی، یک تعبیر نسبی است. البته آنچه در مورد قابلیت حمل بار الکتریکی توسط این شبه ذرات بدون جرم مطرح شده و نیز ارتباط ویژه آن‌ها با الکترون‌ها شاید یک پتانسیل بالقوه برای عرصه کاربرد باشد.

 

به نظرم ارائه‌های زیر توسط توسط زاهد حسن، مربوط به سال جاری میلادی، برای دوستانی که احیانا به این مباحث آشنایی دارند، مورد توجه قرار بگیرد:

(توجه: دومی مقدمه اولی است)

 

Weyl Fermions & Topological Fermi Arcs

 

دانلود (551 مگابایت)

http://trainbit.com/files/4386787884/Prof-Zahid-Hasan_Weyl-Fermions-Topological-Fermi-Arcs_1001.mp4

http://www.youtube.com/watch?v=_lGFX43Qiso

ا

ا

Topological Insulators, Berry Phase and Helical Dirac Fermions
 

Part 1 of 4

دانلود (حجم: 205 مگابایت)

http://trainbit.com/files/7386787884/Prof-Zahid-Hasan_Topological-Insulators-Berry-Phase_Part-1-of-4_1001.mp4

https://www.youtube.com/watch?v=Pa26MERKbAs

Part 2 of 4

دانلود (حجم: 184 مگابایت)

http://trainbit.com/files/6386787884/Prof-Zahid-Hasan_Topological-Insulators-Berry-Phase_Part-2-of-4_1001.mp4

https://www.youtube.com/watch?v=49-iRuDGANI

Part 3 of 4

دانلود (حجم: 175 مگابایت)

http://trainbit.com/files/8386787884/Prof-Zahid-Hasan_Topological-Insulators-Berry-Phase_Part-3-of-4_1001.mp4

https://www.youtube.com/watch?v=g4K-EY6cTh8

Part 4 of 4

دانلود (حجم: 17 مگابایت)

http://trainbit.com/files/9386787884/Prof-Zahid-Hasan_Topological-Insulators-Berry-Phase_Part-4-of-4_1001.mp4

https://www.youtube.com/watch?v=cczrbGGrT5k

ویرایش شده در مهر 94 توسط mahdavi3d

[Moghaddam 1,985]

 

خوشحالم که مورد توجه دوستان قرار گرفت.

 

باید عرض شود فیلدی که این موضوع در آن مطرح شده به طور عمومی فیزیک ماده چگال نامیده می‌شود؛ شاخه‌ای از علم فیزیک است که به بررسی خواص ماده در فازهای چگالیده می‌پردازد. در اینجا به طور خاص surface state physics و Topological band theory محور ماجرا است.

 

هرچند دانش بنده برای پاسخگویی به پرسش‌هایی که جناب Moghaddam مطرح کردند کفایت نمی‌کند اما دست‌ کم در مورد پرسش اول برداشتم این است که با توجه به مقایسه موبیلیتی نسبت به نیمه‌هادی‌های نوعی و نیز گرافین، (به ترتیب ضرایب 1000 و 2 گفته شده است) و بی‌نهایت نبودن این ضرایب، به نظر می‌رسد آن تعبیر شبح، دست کم در چهارچوب بحث فعلی، یک تعبیر نسبی است. البته آنچه در مورد قابلیت حمل بار الکتریکی توسط این شبه ذرات بدون جرم مطرح شده و نیز ارتباط ویژه آن‌ها با الکترون‌ها شاید یک پتانسیل بالقوه برای عرصه کاربرد باشد.

 

بسیار ممنون از پاسخگویی شما

 

خدمتتان عرض شود که از متن پست اول بر می آمد که موضوع مربوط به ذرات بنیادی است منتها وقتی فرمودید ماده چگال دیگر بحث سوال دوم منتفی میشود. هر چند هنوز سر بحث نوع فرمیون بودن اینها بحث هست.

 

به هر حال ممنون

[mahdavi3d 14,067]

خواهش می‌کنم.

 

البته منظور بنده این نیست که به طور کلی ارتباطی با ذرات بنیادین و مدل استاندارد ندارد. بلکه پژوهش فعلی که مبنای خبر بوده، عمده حول ماده چگال بوده. حال اینکه ارتباط آن چگونه است، اطلاعی ندارم.