-
شكل جديد ماده
شكل جديد ماده
http://www.hupaa.com/Data/Pic/P00092.jpg
در مدرسه با سه شكل ماده آشنا ميشويم: گاز، مايع و جامد. ولي اين‌ها نيمي از حالات ماده اند. شش شكل ماده وجود دارد: جامد، مايع، گاز، پلاسما، ماده چگال باس-اينشتين و حالت تازه كشف‌شده: ماده چگال فرميوني. تمام دانش‌آموزان راهنمايي خصوصيات حالات معمول ماده روي زمين را مي‌شناسند. مواد جامد در برابر تغيير شكل مقاومت مي‌كنند، آنها سفت و گاهي شكننده اند. مايع‌ها جاري مي‌شوند و به سختي متراكم مي‌گردند و شكل ظرف خود را مي‌گيرند.
گاز‌ها كم چگال‌تر اند و ساده‌تر متراكم مي‌شوند و نه‌تنها شكل ظرف محتويشان را مي‌گيرند، بلكه آن‌قدر منبسط مي‌شوند تا كاملا آن را پر كنند.
حالت چهارم ماده، پلاسما، شبيه گاز است و از اتم‌هايي تشكيل شده‌است كه تمام يا تعدادي از الكترونهاي خود را از دست داده‌اند (يونيده شده‌اند). بيشتر ماده جهان در حالت پلاسماست، مثل خورشيد كه از پلاسما تشكيل شده‌است. پلاسما اغلب بسيار گرم است و مي‌توان آن را در ميدان‌هاي مغناطيسي به دام انداخت.
حالت پنجم با نام ماده چگال بوز-اينشتين (Bose-Einstein condensate) كه در سال 1995 كشف شد، در اثر سرد شدن ذراتي به نام بوزون‌ها (Bosons) تا دماهايي بسيار پايين پديد مي‌آيد. بوزون‌هاي سرد در هم فرومي‌روند و ابر ذره‌اي كه رفتاري بيشتر شبيه يك موج دارد تا ذره‌اي معمولي شكل مي‌گيرد. ماده چگال بوز-اينشتين شكننده‌است و سرعت عبور نور در آن بسيار كم است.
حالت تازه هم ماده چگال فرميوني (Fermionic condensate) است. دبورا جين (Deborah Jin) از دانشگاه كلورادو كه گروهش در اواخر پاييز سال 1382 موفق به كشف اين شكل تازه ماده شده‌است، مي‌گويد: وقتي شكل جديدي از ماده روبرو مي‌شويد بايد زماني را صرف شناخت ويژگي‌هايش كنيد. آنها اين ماده تازه را با سرد كردن ابري از پانصدهزار اتم پتاسيم – 40 تا دمايي كمتر از يك ميليونيم درجه بالاتر از صفر مطلق پديدآوردند. اين اتمها در چنين دمايي بدون گران‌روي جريان مي‌يابند و اين نشانه ظهور ماده‌اي جديد بود. در دما‌هاي پايين‌تر چه اتفاقي مي‌افتد؟ هنوز نمي‌دانيم.
ماده چگال فرميوني بسيار شبيه ماده چگال بوز-اينشتين (BEC) است. ذرلت بنيادي و اتمها در طبيعت مي نوانند به شكل بوزون يا فرميون باشند. يكي از تفاوتهاي اساسي ميان آنها حالتهاي كوانتومي مجلز براي ذرلت است. تعداد زيلدي بوزون مي توانند در يك حالت كوانتومي باشند ، مثلا انرژي ، اسپين و ... آنها يكي باشد ، اما مطابق اصل طرد پائولي دو فرميون نمي توانند همزمان حالتهاي كوانتومي يكسان داشته باشند. براي همين مثلا در آرايش اتمي ، للكترونها كه فرميون هستند نمي توانند همگي در يك تراز انرژي قرار گيرند.در هر اربيتال تنها دو الكترون كه اسپينهاي متفاوت داشته باشند جا مي گيرد و الكترونهاي بعدي بايد يه اربيتال ديگري با انرژي بالاتر بروند. ينابراين اگر فرميونها را سرد كنيم و انرژي آنها را بگيريم ، ابتدا پايينترين تراز انرژي پر مي شود ، اما ذره بعدي بايد به ترازي با انرژي بالاتر برود. وجود ماده چگال فرميوني همانند ماده چگال يوز- اينشتين سالها قبل پيش بيني شده و خواص آن محاسبه شده بود ، اما رسيدن به دماي نزديك به صفر مطلق كه براي تشكيل اين شكل ماده لازم است تا كنون ممكن نشده بود. هر دو از فرورفتن اتمها در دماهايي بسيار پايين ساخته‌مي‌شوند. اتم‌هاي BEC بوزون اند و اتم‌هاي ماده چگال فرميوني، فرميون. اما اين‌ها به چه معني اند؟
بوزون‌ها مي توانند همگي در يك تراز انرژي قرارگيرند. به طور كلي اگر تعداد الكترون + پروتون + نوترون اتمي عددي زوج باشد، آن اتم يك بوزون است. مثلا اتم‌هاي سديم معمولي بوزون اند و مي‌توانند به حالت فاز چگال بوز-اينشتين ادغام شوند.
اما فرميونها مطابق اصل طرد پائولي نمي‌توانند در يك حالت كوآنتومي هم ادغام شوند. هر اتمي كه تعداد الكترون‌ها + پروتون‌ها + نوترون‌هايش عددي فرد باشد، مثل پتاسيم – 40 يك فرميون است.
گروه جين براي مقابله با خواص ادغام‌ناپذيري فرميونها از تأثير ميدان مغناطيسي بر آنها استفاده‌كردند. ميدان مغناطيسي سبب مي‌شود ) فرميونهاي تنها جفت شوند. قدرت اين پيوند را ميدان مغناطيسي تعيين مي‌كند. جفت‌هاي اتم‌هاي پتاسيم برخي از خواص فرميونيشان را حفظ مي‌كنند، ولي كمي شبيه بوزون‌ها عمل خواهند‌كرد. يك جفت فرميون مي‌تواند در جفت ديگري ادغام شود - و جفت تازه در جفتي ديگر ...- تا سرانجام ماده چگال فرميوني شكل‌گيرد.
در اثر اين پديده، گران‌روي (Viscosity) ماده به وجود آمده بايد بسيار كم باشد.
مشابه اين پديده را در ابررسانايي مي‌بينيم. در يك ابررسانا، جفت‌هاي الكترون (الكترون‌ها فرميون اند) مي‌توانند بدون هيچ مقاومتي جريان يابند. متأسفانه مطالعه و دسترسي به ابررساناها بسيار مشكل است. گرم‌ترين ابررساناي امروزي بايد در دماي 135- درجه سانتيگيراد عمل مي‌كند و اين بزرگ‌ترين مشكل براي مطالعه و استفاده از آنهاست. قدرت جفت‌شدن شگفت‌انگيز در حالت جديد، دانشمندان را اميدوار كرده‌است كه بتوانند از يافته‌هاي خود درباره حالت تازه ماده، براي توليد ابررساناها در دماي اتاق استفاده‌كنند.
ابررساناها كاربردهاي فراواني در علوم و فن‌آوري فضايي دارند. براي مثال ژيروسكوپ‌هايي كه براي هدايت فضاپيماها در مدار استفاده مي‌شوند، با آهن‌ربا‌هاي ابررسانا بسيار دقيق‌تر كارمي‌كنند. همچنين چون ابررساناها مي‌توانند حامل جريان‌هاي بيشتر در اندازه‌هاي كوچكتري نسبت به يك سيم مسي باشند، حجم موتورهايي كه از آنها ساخته‌مي‌شود 4 تا 6 برابر كوچك‌تر از موتورهاي امروزي فضاپيماها خواهدبود.
