مفهوم شبه‌ذره به فیزیک‌دانان این امکان را می‌دهد تا اندرکنش‌های پیچیده و بس‌ذره‌ای را در قالب رفتار یک تک‌ذره توصیف کنند. این ذرات معمولاً در سیستم‌های ماده چگال همچون نیم‌رساناها ظاهر می‌شوند اما نوع جدیدی از شبه‌ذرات معروف به آنگیولُن پیشنهاد شده‌اند که چرخش یک اتم یا مولکول ناخالصی را در درون یک حلال توصیف می‌کند. این شبه‌ذرات که دوسال پیش به شکل نظری پیشنهاد شده‌ بودند اکنون توضیحی بر رفتار عجیب مولکول‌های مختلف چرخنده در هلیوم مایع ارائه می‌دهند.

فیزیک‌دانان، شبه‌ذرات را حداقل از دهه‌ی ۱۹۴۰ مورد مطالعه قرار داده‌اند زمانی‌که لو لاندائو (Lev Landau) و سلومون پیکار (Solomon Pekar) ایده‌ی پلارون برای توصیف رفتار یک الکترون متحرک در یک شبکه‌ی بلورین را مطرح کردند. وقتی الکترون پیش می‌رود اتم‌های پیرامونی را مغتشش می‌کند، بنابراین آن بخش از بلور قطبیده می‌شود. توصیف این فرآیند مستلزم محاسبه‌ی کامل اندرکنش مابین الکترون و تعداد بسیار زیادی از اتم‌ها است اما لاندائو اینگونه تشخیص می‌دهد که می‌توان این کار را با درنظرگیری الکترون و قطبش‌های مربوط به آن به عنوان یک تک‌ذره تقریب زد؛ تک‌ذره‌ای که شبیه یک الکترون پرجرم‌تر در فضای آزاد سیر می‌کند.

در این پژوهش اخیر، میکائیل لمشکو (Mikhail Lemeshko) از موسسه‌ی علوم و فناوری استرالیا که درست در بیرون از وین قرار دارد در جستجوی حرکت جمعی مولکول چرخنده‌ای است که در اندرکنش با تعداد زیادی از اتم‌ها، در درون قطره‌ای از هلیوم ابرشاره، قرار دارد. چنان قطراتی به دانش‌مندان این امکان را می‌دهد تا تک‌مولکول‌ها را در کسری از یک درجه‌ی بالاتر از صفر مطلق نگه داشته و طیف آن‌ها را بدون اعوجاجات ثبت ‌کنند. بویژه مطالعه‌ی مولکول‌های بسیار انفعالی همچون رادیکال‌های آزاد مفید است.

تعداد اتم‌های ناکافی

این سیستم را می‌توان به شکل نیمه‌کلاسیکی با این فرض مورد تحلیل قرار داد که مولکول‌‌های بدام افتاده پوسته‌ای از هلیوم غیرابرشاره‌ای را حول خود (که در حال چرخش‌اند) ایجاد کرده و باعث می‌شود تا سرعت آن کند شود. اما هلیوم ابرشاره‌ای اساساً ماده‌ای است مکانیک کوانتومی که با آمار بوز-انشتین قابل توصیف است که در مقابل آمار کلاسیکی بولتزمن قرار دارد. فیزیک‌پیشگان شبیه‌سازی‌های عددی (با روش نیروی بروت) این سیستم را در سال‌های اخیر به انجام رسانده‌اند اما پیچیدگی اندرکنش‌های بس‌ذره‌ای تعداد اتم‌های هلیوم در آن شبیه‌سازی‌ها را تا حدود ۱۰۰ محدود می‌کند. در مقابل قطره‌هایی که در این آزمایش‌ها مورد استفاده قرار گرفته است به بیش از ۱۰۰۰ اتم‌ها محدود می‌شوند.

لمشکو دریافت که می‌تواند این مسئله را با استفاده از مفهوم آنگیولُن تا حد بسیار زیادی ساده کند. درست همان‌طور که یک پلارون از یک الکترون بعلاوه‌ی تغییرحالاتی در شبکه‌ی پیرامونی آن ایجاد می‌شود، یک آنگلوئون هم از مولکول‌ چرخنده بعلاوه‌ی اغتشاشات بوجود آمده‌ی آن در هلیوم پیرامونی آن ساخته شده است. هرچند یک پلارون نسخه‌ای از یک الکترون آزاد اما پرجرم‌تر از الکترون است، یک آنگیولُن همچون یک نسخه‌ی بدام نیوفتاده‌ای از مولکول مورد نظر عمل می‌کند اما با یک ممان اینرسی بزرگ‌تر.

پس از آن‌که ریچارد اشمیت از مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیتسونین در ایلات متحده در سال ۲۰۱۵، نظریه‌ی آنگیولُن‌ها را پیش‌رو نهاد، اکنون لمشکو این نظریه را با بیست سال نتایج تجربی آن مقایسه کرده است. لمشکو برای هر ۲۵ مولکول مختلف اثر اتم‌های هلیوم پیرامونی را بر روی ثابت چرخشی مولکول محاسبه کرده است؛ که با ممان اینرسی آن رابطه‌ی عکس دارد. سپس این ثابتِ تغییر یافته را با مقداری که از آزمایش بدست آمده مقایسه کرده است.

دوگستره

با این حال این مقایسه، تنها یک مقایسه‌ی تک‌سایز و سرراست نبوده است. لمشکو برای بدست آوردن عبارتی تحلیلی و ساده برای چرخش مولکول، مسئله‌ی آنگیولُن را در دو «گستره» حل کرده است. یک گستره که اساساً در مورد مولکول‌های سنگین همچون آنهایی که شامل اتم‌های سولفور است کاربرد دارد؛ مولکول‌هایی که جفت‌شدگی قابل‌توجهی با هلیوم (انرژی پتانسیل بالاتر) داشته اما انرژی جنبشی کوچکی دارد. برعکس گستره دیگر مناسب مولکول‌های سبک‌تر همچون آب بوده و مستلزم مقدار زیادی از انرژی جنبشی اما جفت‌شدگی ضعیف است.

اگرچه تمامی پیش‌بینی‌ها در مورد گستره با جفت‌شدگی قوی با عدم قطعیت‌های تجربی پایان نمی‌پذیرد اما لمشکو آن را برای اغلب مولکول‌های سنگین بررسی کرده و «یک تطابق خوب با آزمایش» را بدست آورده است. حتی او در گستره با جفت‌شدگی ضعیف بهتر کار کرده و تا ۲ درصد مقادیر تجربی برای اکثر مولکول‌های سبک رسیده است. با این حال با برخی از مولکول‌های با اندازه‌ی متوسط دچار سردرگمی شده بدلیل آن‌که قادر نبوده است تا دقیقا ثابت‌های چرخشی تغییر یافته‌ی آن‌ها را در هریک از گستره‌های با جفت‌شدگی قوی یا ضعیف پیش‌بینی کند. به گفته‌ی وی در اصل یک نظریه‌ی «جفت‌شدگی میانی» در مورد آنگیولُن‌ها می‌تواند به پیش‌بینی‌های دقیق بیانجامد اما اضافه می‌کند که برآوردهای تقریبی را با شکافتن تفاوت‌های مابین پیش‌بینی‌های جفت‌شدگی‌های قوی و ضعیف نیز می‌توان بدست آورد.

لمشکو برخلاف مشکلاتی که وجود دارد نتیجه می‌گیرد که این نتایج «گواه محکمی را فراهم می‌کند» که مولکول‌های چرخنده در داخل هلیوم ابرشاره آنگیولُن‌ها را تشکیل می‌دهند. به گفته‌ی وی: «یک آنگیولُن‌، همچون یک الکترون، در واقع یک هویت فیزیکی به شمار نمی‌رود اما به واقعیتِ دیگر شبه‌ذرات است.»

آنگیولُن‌های الکترونی

اکنون لمشکو در جستجوی اعمال این نظریه فراتر از مولکول‌هایی است که در درون هلیوم مایع قرار دارند. برای مثال، او در این مورد تحقیق می‌کند که آیا آنگیولُن‌ها می‌توانند برای نشان دادن الکترون‌هایی بکار روند که ممان زاویه‌ای چرخشی‌‌شان را با یک شبکه‌ی بلوری مبادله می‌کنند یا نه. به بیان او با انجام این کار ممکن است بتوان به توسعه‌ی سوئیچ‌زنی فوق‌سریع و حافظه‌ داده‌های پیشرفته دست یافت، اما آن‌طور که او هشدار می‌دهد، این پژوهش «بسیار مقدماتی» است.

این تحقیق در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز به چاپ رسیده است.

درباره‌ی نویسنده:

ادوین کارتلیج نویسنده‌ای علمی در رم است.

منبع:

Meet the 'angulon', a new quasiparticle found in superfluid helium