محققان برای اولین بار نوسان کوانتومی را در یک عایق الکتریکی کشف کردند

فیزیکدانان دانشگاه پرینستون به طور تصادفی موفق به کشف نوعی رفتار کوانتومی در عایق‌ها شدند که تا پیش از این منحصر به فلزات تصور می‌شد. محققان در این تحقیق نوع جدیدی از ذره کوانتومی کشف کرده و آنرا فرمیون خنثی (neutral fermion) نام نهادند.

به طور خلاصه، فلزات رسانای الکتریسیته بوده اما عایق‌ها چنین خصوصیتی ندارند. اگر در سطح مولکولی به عایق‌ها و فلزات بنگریم، رسانا بودن به میزان حرکت آزادانه الکترون‌ها مربوط می‌شود. در فلزات الکترون‌ها جنب و جوش زیادی دارند ولی عایق‌ها مقاومت زیادی دارند که مانع از حرکت آزادانه الکترون‌ها می‌شود.

فلزات به خاطر رسانا بودن پدیده‌ای موسوم به نوسان کوانتومی (quantum oscillation) را نشان می‌دهند. زمانی که فلز در دمای بسیار پایین در معرض میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، الکترون‌ها می‌توانند وارد وضعیت کوانتومی شوند که سبب نوسان پیدا کردن مقاومت ماده می‌شود. این پدیده در عایق‌ها رخ نمی‌دهد چرا که الکترون‌ها نمی‌توانند در آنها آزادانه حرکت کنند.

اما محققان دانشگاه پرینستون موفق شدند در تحقیقات جدید خود برای اولین بار نوسان کوانتومی را در یک عایق الکتریکی کشف کنند. آنها حین کار کردن با تلورید تنگستن (tungsten ditelluride) به این کشف پی بردند. این ماده در حجم زیاد شبیه فلز رفتار می‌کند اما زمانی که از حجم آن کاسته شده و به شکل یک ماده دو بعدی مثل گرافین در می‌آید، به یک عایق الکتریکی تبدیل می‌شود. محققان حین اندازه گیری مقاومت این ماده در میدان مغناطیسی متوجه نوسان آن شدند.

محققان از این اتفاق حیرت زده شده و آن را «کاملا غافلگیرکننده» توصیف کرده‌اند. با فرضیات کنونی نمی‌توان این پدیده را توضیح داد با این حال محققان فرضیه خود را ارائه کرده‌اند. به گفته آنها احتمالا این الکترون‌ها نیستند که نوسان می‌کنند، بلکه تعاملات قوی سبب بوجود آمدن ذرات کوانتومی جدید شده است که از خود نوسان نشان می‌دهند.

محققان می‌افزایند از آنجا که عایق‌های الکتریکی مانع از حرکت آزادانه ذرات باردار مثل الکترون‌ها می‌شوند، این ذرات جدید باید دارای بار خنثی باشند. این «فرمیون‌های فرضی خنثی» می‌توانند خاصیت نوسان کوانتومی قابل مشاهده را به نمایش بگذارند.

«Sanfeng Wu»، یکی از نویسندگان ارشد تحقیق می‌گوید: «اگر برداشت‌های ما درست باشند، یعنی در حال نگاه کردن به ماده کوانتومی کاملاً جدیدی هستیم. ما در حال تصور کردن یک جهان کوانتومی کاملاً جدید در عایق‌ها هستیم. ممکن است در طول چند دهه گذشته این پدیده از چشمان ما مخفی مانده باشد.» محققان اضافه می‌کنند برای اطمینان از وجود فرمیون‌های خنثی به تحقیقات بیشتر نیاز است.

یافته‌های این تحقیق در ژورنال Nature منتشر شده است.