کشف ذره‌ تازه چهار‌تایی در دنیای کوانتوم_غروب شهر

دانشمندان موفق به شناسایی نوعی شبه‌ذره تازه چهارتایی در یک نیمه‌رسانای دوبعدی شده‌اند که آن را «چهارپلون» (Quadruplon) نامیده‌اند. این کشف با منفعت گیری از آزمایش‌های نوری و مدل‌سازی‌های نظری پیشرفته انجام شده و مشخصه‌های طیفی منحصربه‌فردی را نمایان کرده که با مدل‌های حاضر قابل تبیین نبودند.

در جستجوی ماهیت پیچیده مواد

به گزارش ساینس دیلی، یکی از اهداف بنیادین فیزیک، فهمیدن دلایل ابراز ویژگی‌های خاص در مواد گوناگون است؛ ویژگی‌هایی نظیر حرکت الکتریکی، نوری، گرمایی یا مغناطیسی. این ویژگی‌ها زیربنای زیاد تر فناوری‌های امروزی می باشند. نظریه‌های نوین کوانتومی توضیح خواهند داد که این خواص به‌واسطه برهم‌کنش‌های ذرات بنیادی و تحریکات کوانتومی شکل می‌گیرند که زیاد تر به‌صورت شبه‌ذره شناخته خواهد شد.

از جمله شبه‌ذره‌های شناخته‌شده می‌توان به فونون‌ها (ارتعاشات کمّی‌شده شبکه بلور)، الکترون‌ها و حفره‌ها (در نیمه‌رساناها)، و پلارون‌ها (الکترون‌ها یا حفره‌هایی که با فونون‌ها جفت شده‌اند) اشاره کرد. این چنین ساختار‌هایی پیچیده‌تری نظیر اکسیتون‌ها (جفت‌های الکترون-حفره شبیه اتم هیدروژن) و بی‌اکسیتون‌ها (دو اکسیتون جفت‌شده که ساختاری همانند مولکول هیدروژن دارند) نیز وجود دارند.

با آنکه بی‌اکسیتون‌ها از چهار ذره راه اندازی شده‌اند، زیاد تر به‌گفتن یک سیستم قابل تجزیه به دو اکسیتون در نظر گرفته خواهد شد؛ به این علت، ماهیت آنها دو-ذره‌ای محسوب می‌شود. اما از زمان‌ها پیش، فیزیک‌دانان گمان وجود شبه‌ذرات چهار-ذره‌ای واقعی را نقل کرده‌اند که قابل افت به سیستم‌های دو-ذره‌ای نباشند. تا بحال شواهد تجربی زیاد اندکی برای این چنین حالت‌هایی وجود داشته و هیچ‌یک نیز در نیمه‌رسانا‌ها قبول نشده می بود.

نخستین شواهد تجربی از شبه‌ذره واقعی چهارتایی

در مقاله‌ای تازه که در نشریه eLight انتشار شده، تیمی از دانشمندان به رهبری کون-ژنگ نینگ از دانشگاه فناوری شنژن و دانشگاه تسین‌هوا چین، نتایج تجربی و نظری خود را انتشار کرده‌اند که نشان‌دهنده وجود یک شبه‌ذره واقعی چهارتایی به نام «چهارپلون» در ماده‌ای دوبعدی با ضخامت تک‌لایه‌ای، یعنی «دی‌تلورید مولیبدن» (MoTe₂) است.

در این پژوهش، تیم تحقیقاتی از ساختاری مبتنی بر یک تک‌لایه از دی‌تلورید مولیبدن منفعت گیری کردند که بین دو لایه نازک از نیترید بور قرار گرفته می بود. الکترود فلزی به قسمت بالایی متصل شده و لایه پایین نیترید بور نیز به‌گفتن دی‌الکتریک عمل می‌کرد که الکترود «گِیت» در زیر آن قرار داشت. این آرایش به تیم اجازه داد بار‌های الکتریکی داخل نیمه‌رسانای تک‌لایه را کنترل کرده و نحوه تحول جواب‌های طیفی را با ولتاژ گیت بازدید کنند.

آزمایش‌های پمپ-پروب و رد فرضیات قبلی

برای بازدید ویژگی‌های طیفی، تیم از روش «پمپ-پروب نوری» منفعت برد: پالس قوی نوری زیاد مختصر (در حد چند صد فمتوثانیه) ابتدا برای تحریک الکترون‌ها ارسال شد و سپس پالس ضعیف‌تری با تأخیر اندک به‌گفتن پروب جهت مشاهده جذب فوتون‌ها توسط سیستم منفعت گیری شد.

در این فرآیند، پالس پمپ علتایجاد تحریکاتی، چون اکسیتون، تریون (ترکیبی از یک الکترون و دو حفره یا برعکس) و بی‌اکسیتون می‌شود. سپس فوتون‌های پالس پروب توسط این شبه‌ذرات جذب شده و آنها را به حالت‌های بالاتری هدایت می‌کنند که طبق معمولً دربرگیرنده چهار ذره می باشند. از طریق اندازه‌گیری نور بازتاب‌شده یا عبوری پالس پروب، می‌توان به اطلاعات ارزشمندی درمورد این حالت‌های نهایی و چهار-ذره‌ای دست یافت.

به علت طول عمر مختصر این شبه‌ذرات (در حد پیکوثانیه)، پالس پروب باید به‌شدت سپس از پالس پمپ برسد. برای تحلیل سیستماتیک‌تر، تیم تحقیقاتی پارامتر‌هایی نظیر ولتاژ گیت، قوت پالس پمپ، تأخیر وقتی، انرژی و قطبش پالس‌ها و دمای نمونه را تحول داد. در هر آزمایش، شبه‌ذرات خاصی به‌صورت قله‌هایی در طیف جذب ظاهر می‌شدند.

شگفتی در نتایج: قله‌هایی فراتر از شناخته‌شده‌ها

در بازدید‌ها شبه‌ذرات شناخته‌شده نظیر اکسیتون، تریون و بی‌اکسیتون تنها به شکل یک یا دو قله زیر قله اکسیتون در طیف ظاهر می‌شدند. اما به‌حرف های نینگ، “ما با شگفتی دریافتیم که در طیف جذب، دست‌کم شش قله زیر قله اکسیتون مشاهده می‌شود. “

با دقت به امکان تشکیل این قله‌ها بر تاثییر نقص‌های ساختاری، تیم پژوهشی آزمایش را روی پنج نمونه با کیفیت بالا که فاقد نقص‌های طیفی بودند تکرار کرد و دریافت که این قله‌ها پایدار و تکرارشونده می باشند. این چنین بازدید تأثیر دما و توان پالس پمپ بر این قله‌ها، قبول کرد که منشأ آنها ذاتی و نه حاصل از نقص‌ها است.

الزام گسترش نظریه‌ای تازه

بعد از تثبیت ماهیت واقعی این قله‌ها، پژوهشگران تلاش کردند آنها را بر پایه نظریه‌های حاضر توضیح دهند. اما هیچ‌کدام از مدل‌های قبل شامل اکسیتون، تریون یا بی‌اکسیتون قادر به توضیح کامل طیف نبوده است؛ به این علت تیم ناچار شد همه برهم‌کنش‌های کولنی بین دو الکترون و دو حفره را در نظر بگیرد. مدل تازه به‌خوبی با نتایج تجربی انطباق داشت.

نقش گسترش خوشه‌ای در کشف چهارپلون

با این که مدل کامل به جواب دقیقی رسیده می بود، اما فاقد تصویری شهودی می بود. به همین علت، نینگ از دانشجویانش خواست از روشی شهودی‌تر به نام گسترش خوشه‌ای منفعت گیری کنند که از طریق تقریب‌های پی‌در‌پی به مدل کامل نزدیک می‌شود و امکان روشن ساختن نقش دقیق هر جزء را فراهم می‌کند.

در نهایت، تیم پژوهشی توانست نشان دهد که یک خوشه چهارم‌رتبه متشکل از دو الکترون و دو حفره، که به ساختار‌های پایین‌تر قابل افت نیست، مسئول تشکیل این قله‌های تازه در طیف است. این خوشه نماینده ذره مرکبی تازه به نام چهارپلون است که در ادبیات نظری قبل نیز پیش‌بینی شده می بود.

پژوهشگران تصمیم دارند این ویژگی‌ها را در مواد فرد دیگر نیز بازدید کنند. آنها این چنین اعتقاد دارند ویژگی‌های تابش نوری چهارپلون می‌تواند ماهیت کوانتومی جدیدی از این ساختار پیچیده‌ی چند-بدنی را آشکار سازد.

انتهای مطلب/