بخش‌هایی از پزشکی، سفر و علم بواسطه‌ی ابررسانایی دچار تحولاتی شده است؛ پدیده‌ای که در آن الکترون‌ها در مواد ویژه‌ای با مقاوت صفر مسیر خود را طی می‌کنند. اکنون در یک آزمایش جذاب رفتار مشابهی برای ذرات نور! مشاهده شده است.

به گفته‌ی نیک وامیواکاس (Nick Vamivakas) فیزیک کوانتوم‌دان از دانشگاه روچستر در نیویورک که در این پژوهش نقشی نداشته است: «این پژوهش واقعا کار جذابی است و ارتباط زیبایی بین پراکندگی نور، فیزیک حالت جامد و اپتیک کوانتومی برقرار می‌کند».

ابررسانایی سنتی بر تشکیل «جفت‌های کوپری» از الکترون‌ها اتکا دارد که مسیر هم‌دیگر را پایدار ساخته و به الکتریسیته امکان شارش بدون مقاومت را می‌دهند. این کشف به توسعه‌ی آهنرباهای ابررسانایی قدرتمند منجر شد که هم‌اکنون در اسکنرهای پزشکی، شتاب‌دهنده‌های ذرات، توربین‌های بادی و قطارهای مغناطیسیِ معلق استفاده می‌شود.

اکنون فیزیک‌دانان در برزیل به شواهدی از فوتون‌های نوری دست یافته‌اند که جفت‌های مشابهی را تشکیل می‌دهند. این فرآیند در دمای اتاق و وقتی رخ می‌دهد که نور از محدوده‌ای از مایعات شفاف (شامل آب) عبور می‌کند، اگرچه مشاهده‌ی آن بسیار دشوار است. به بیان آندره سارایوا (André Saraiva) فیزیک نظری‌دان از دانشگاه فدرال ریودوژانیرو و همکار مقاله‌ای که در فیزیکال ریویو لترز اجازه انتشار یافته است: «این یعنی آن‌که نه تنها تشکیل این جفت‌ها امکان دارد بلکه همه‌جا نیز رخ می‌دهد.»

این تیم هنوز در جست‌جوی آن است که تا کجا می‌توان موازی با ابررسانایی پیش رفت. چون فوتون‌‌ها نسبت به الکترون‌ها، اندرکنش کمتری با محیط پیرامونی‌اشان داشته‌اند، جفت‌های مشابه نوری احتمال کمی دارد تا به چنان اثرات نمایشی مثل جریان‌های الکتریکی منجر شوند.

جفت‌شدگی

این کشف از کار آدو جوریو نشات می‌گیرد. وی از دانشگاه فدرال میناس گرایس (UFMG) در بلو هوریزونته‌ی برزیل است که در مورد چگونگی پراکندگی نور در درون مواد پژوهش کرده است. وقتی نور در درون ماده پراکنده می‌شود فوتون‌ها ممکن است انرژی را به اتم‌های آن ماده منتقل کرده و اتم‌‌ها ارتعاش کنند. اگر فوتونِ دوم بلافاصله این بسته‌ی انرژی ارتعاشی را جذب کند، دو فوتون به شکل غیر مستقیم با هم متصل شده، یکی انرژی از دست می‌دهد و دیگری به دست می‌آورد.

وقتی جوریو این پژوهش را به دپارتمان ماده چگال در UFRJ ارائه می‌کرده، ایده‌ای را در ذهن بلیتا کویلر (Belita Koiller) برانگیخته است. او به تفاوت میان این فرآیند (که در آن ارتعاشات توسط یک فوتون ایجاد شده و فوتون دیگری را تحت تاثیر قرار می‌دهد) و تشکیل جفت‌های کوپری در ابررسانایی (اختلالات در شبکه‌ی اتمی که در اثر الکترون‌های سریع بوجود می‌آید و به ذره این امکان را می‌دهد تا برای خود یک شریک در این احیاء جذب کند) متوجه شده است.

در هردوی این موارد، جفت‌ها در نتیجه‌ی حرکت در اتم‌های حول آن‌ها تشکیل می‌شوند. با این حال در ابررساناها این ارتعاشات نوع زودگذری است که با مکانیک کوانتومی توصیف شده و به فونون‌های مجازی معروف‌اند. کویلر و تیمش شگفت‌زده شده‌اند که آیا این در مورد نور نیز صادق است یا نه؟

تیم JFRJ ابتدا به شکل ریاضی نشان داده‌اند که اگر فوتون‌ها از طریق فونون‌های مجازی نیز اندرکنش داشته باشند، رفتار آن‌ها دقیقاً با رفتار جفت‌های کوپری در ابررساناها تطابق خواهد داشت. بنابراین محققان در UFMG به دنبال شواهدی از چنان جفت‌هایی هستند که با استفاده از پالس‌های درخشان نور لیزری در دمای اتاق در طول آب و هفت مایع شفاف دیگر بوجود آمده‌اند. آن‌ها از آشکارسازهایی برای امتحان فوتون‌های در حال ظهور استفاده کرده‌اند تا به جستجوی جفت‌هایی بپردازند که به شکل همزمان به هم می‌رسند؛ که در آن یک فوتون به سمت قرمز (از دست دادن انرژی) و فوتون دیگر به سمت آبی (بدست آوردن انرژی) شیفت می‌یابد.

اگر جفت‌ها به جای آنکه با فرآیند پراکندگی استاندارد ایجاد شوند با فونون‌های مصنوعی تولید شوند، شیف‌های انرژی فوتون‌ها بایستی (ناشی از ارتعاشات مجاز کلاسیکی) بسیار کمتر باشند. بنابراین این تیم فیلتری را به کار برده‌اند تا تنها به این گستره از انرژی‌ها اجازه عبور دهند. آن‌ها این نتایج را با نتایج زمانی که هردوی شیفت‌های انرژی مجاز بودند، مقایسه کرده‌اند.

در هردوی این موارد آن‌ها آهنگ یکسانی از جفت‌های فوتونی را مشاهده کرده‌اند که پیشنهاد می‌دهد این جفت‌ها بایستی با فرآیندهای مصنوعی تولید شده باشند. این سیگنال کوچک بود: حدود ۱۰ کوئادریلیون فوتون در طول ماده در هر ثانیه پمپاژ شده است، آن‌ها تنها ۱۰ جفت را مشاهده کرده‌اند در مقایسه با یک جفت در هر ده ثانیه‌ای که انتظار داشتند مشاهده کنند.

به گفته‌ی آندرا فراری، این یک کشف جالب است. وی فیزیک‌دانی از دانشگاه کمبریج در انگلستان است. اگرچه او اخطار می‌دهد که این توضیح بایستی توسط گروه‌های دیگر نیز تایید شود: «می‌خواهم بگویم این پایان کار نیست اما قطعاً آغاز آن است».

امکانات جذاب

آنطور که سارایوا می‌گوید، امکان وجود جفت‌های کوپری در نور، هم توجه فیزیک‌دانان اپتیک کوانتومی را به خود جلب می‌کند و هم توجه فیزیک‌دانان ماده چگال را، عمدتاً به این دلیل که آنان می‌خواهند ببیند که تا چه حد می‌توان در این مورد متناظر با ابررسانایی حرکت کرد. در ماده، جفت‌های کوپری در پسِ گستره‌ی وسیعی از اثرات جذاب قرار دارند اما تاکنون این تیم هیچ داده‌ای را در اختیار ندارند تا نشان دهد اتفاق مشابهی با نور نیز خواهد افتاد. به گفته‌ی سارایوا: «این‌ها سوالات بسیار مهمی هستند که باید جواب دهیم».

اگر این تیم بتواند تعداد جفت‌های کوپری را افزایش دهد کاربردهایی نیز خواهد داشت. مهارکردن راهی که در آن فوتون‌‌‌های جفت‌شده با ماده اندرکنش می‌کنند ممکن است به مشخص شدن چنان ویژگی‌های نامحسوس یک ماده بیانجامد. و اگر نشان داده شود که این ذرات به روشی فراتر از زمانبندی‌شان همبستگی داشته باشند (داشتن ویژگی‌های همبسته‌ی کوانتومی ذاتی)، آب در دمای اتاق می‌تواند یک منبع ارزان قابل ملاحظه از فوتون‌های به‌هم تنیده باشد که برای کریپتوگرافی و محاسبات کوانتومی امری اساسی است.

فیزیک‌دانان در این مورد نیز شگفت زده شده‌اند که اگر جفت‌هایی که ابرجریان‌ها را ایجاد می‌کنند شبیه همتایان الکترونی‌اشان رفتار کنند، شاید نور در گذشتن از یک ماده کمتر پاشیده شود که برای مثال منجر به ارتباطات کوانتومی کارآمدتر می‌شود. حتی ممکن است فوتون‌های جفت‌شده مواد شفاف‌تری نیز بسازند. به بیان سارایوا در این مرحله چیزی در این مورد نمی‌دانیم.

در حال حاضر این‌ها همگی گمانه‌زنی هستند. به گفته وامیواکاس، اما با استفاده از مفاهیم فیزیک ماده چگال در پژوهش‌های نوری، می‌توان به شجره‌نامه‌ای از ایجاد فناوری‌های مفید دست یافت. برای مثال بلورهای فوتونی، که در توصیف چگونگی شارش فوتون‌ها در مواد استفاده می‌شود، حول این نگرش توسعه یافته‌اند که یک شبکه‌ی بلوری چگونه الکترون‌‌ها را در ماده تحت تاثیر قرار می‌دهد. وامیواکاس می‌گوید وقتی برای اولین بار در مورد این کار اخیر باخبر شده است از دانشجویانش این سوال را کرده است که: «چرا ما به فکر همچین چیزی نبودیم؟»

اگر چنان سیستم آزمایش ساده‌ای برپا نمی‌شد، ممکن بود اصلا این کشف اتفاق نیافتد. سرمایه‌گذاری برای علم در برزیل از سال ۲۰۱۳ حدود ۶۰ درصد کاهش یافته و این باعث شده بساری از آزمایشگاه‌ها نتوانند تجهیزات خود را حفظ کنند. به گفته‌ی ساراویا: « ما خوش شانس بودیم که با چنین پدیده‌ی مهمی مواجه شدیم  که نیازی به تجهیزات خاصی ندارد. ما نمی‌توانیم همیشه روی همچون شانسی حساب باز کنیم."

منبع:

Photons pair up like superconducting electrons