فیزیک‌دانان در آخرین نشست انجمن فیزیک آمریکا، عایق‌های توپولوژی را معرفی کرده‌اند که با استفاده از آن‌ها می‌توان ذراتی را که فیزیکدانان تاکنون نتوانسته‌اند پیدا کنند، مورد مطالعه قرار داد.

پژوهش‌گران، ماده جدیدی را کشف کرده‌اند که با استفاده از آن‌ها می‌توان ذرات شگفت‌انگیز و غریبی را که علی‌رغم پیش‌بینی‌ها تاکنون دیده نشد‌اند، شبیه‌سازی کرد.

هفته آخر اسفندماه گذشته و در آستانه گردهمایی انجمن فیزیک امریکا، نتایج اولیه‌ای منتشر شد که ادعا می‌کند قطعه به اندازه کافی بزرگی از یک «عایق توپولوژی» ساخته شده تا برخی از پیش‌بینی‌های غریب نظریه میدان کوانتومی را آزمایش کند. نظریه میدان، بخشی از مکانیک کوانتومی است که معمولا در فیزیک ذرات استفاده می‌شود و وجود ذراتی غیر معمول را پیش‌بینی می‌کند که اگر در مواد بازتولید شود، می‌تواند مفید بودن خود را برای کاربری‌های آتی مانند رایانه‌های رمزشکن یا اسپین‌ترونیک (مدارهای الکترونیکی که به اسپین ذرات و بار آنها وابسته است) به اثبات برساند.

به گزارش نیچر، اکنون لاورنس مولنکامپ؛ فیزیک‌دان دانشگاه ورزبورگ در آلمان؛ بر این باور است که توانسته یک عایق توپولوژی را از جنس تلورید جیوه (HgTe) و آن‌قدر ضخیم بسازد که بتوان این نظریه را با آن آزمود.

عایق‌های توپولوژی موادی هستند که در خارج الکترون‌ها را هدایت می‌کنند، ولی در داخل مانند عایق عمل می‌کنند. منشا این خاصیت عجیب نحوه حرکت الکترون‌ها در ماده است. الکترون‌ها یک «اسپین» کوانتومی حمل می‌کنند که به سمت «بالا» و یا «پایین» است. اسپین در حالت عادی مستقل از حرکت الکترون است، ولی در داخل عایق توپولوژی، اسپین الکترون‌ها وابستگی زیادی به نحوه حرکت آنها دارد.

«چند جهان» روی یک چیپ

به گفته شوچنگ ژانگ، فیزیک‌دان نظری دانشگاه استنفورد کالیفرنیا، ارتباط بین اسپین وحرکت، این عایق‌ها را به واسطه‌ای خوب برای مدل کردن برخی از فرمولاسیون‌های نظریه میدان کوانتومی تبدیل کرده است.

نظریه میدان کوانتومی در تشریح پدیده‌های جهان بسیار موفق است، ولی مشخص شده که اثبات برخی از پیش‌بینی‌های آن خیلی سخت است. برخی از فرمولاسیون‌ها ادعا می‌کنند که آکسیون‌ها وجود دارند. آکسیون‌ها، ذراتی با برهمکنش ضعیف هستند که احتمالا نشانگر «ماده تاریک» هستند، موادی که علی‌رغم اثرات گرانشی آن‌ها تاکنون مشاهده نشده‌اند و تخمین زده می‌شود که یک‌چهارم جرم دنیا را تشکیل می‌دهند. این نظریه همچنین وجود تک‌قطبی‌های مغناطیسی را امکان‌پذیر می‌سازد، ذراتی با ویژگی مغناطیسی که برخلاف دوقطبی‌های معمول، فقط یکی از قطب‌های شمال یا جنوب مغناطیسی را دارند و البته تاکنون در طبیعت دیده نشده‌اند.

علی یزدانی، فیزیک‌دان دانشگاه پرینستون می‌گوید: «ما در یک نوع از دنیا زندگی می‌کنیم، ولی در داخل این جامدات می‌توانید دنیاهایی غیر عادی را مشاهده کنید. این خیلی جالب است. ما در یک نوع دنیا زندگی می‌کنیم، ولی در داخل این جامدات شما می‌توانید این دنیاهای غیر عادی را خلق کنید».

این ذرات شبیه چیزی نخواهند بود که توسط نظریه میدان کوانتومی پیشنهاد شده؛ برای مثال، نتایج یکی از تحقیقات ژانگ و همکارانش نشان می‌دهد که آکسیون‌ها را می‌توان به عنوان نوسان‌های مغناطیسی در داخل یک عایق توپولوژی در نظر گرفت. ولی این مقایسه می‌تواند دانشمندان را به سویی هدایت کند که به دنبال معادل‌های واقعی این ذرات در جهان بگردند. تاباندن نور قطبیده شده از میان عایق می‌تواند علایم نشان دهنده آکسیون‌ها را آشکار کند. اگر آکسیون‌ها واقعا وجود داشته باشند، در آن صورت نشانگر مشابهی باید در تابش ریزموج زمینه کیهانی (اولین پرتویی که بعد از مهبانگ در جهان منتشر شد و از آن زمان تاکنون در عالم باقی مانده است) آشکار شود.

برخی از این ذرات غریب پیشنهادی می‌توانند استفاده‌های عملی هم داشته باشند. پیش‌بینی می‌شود یک گروه از ذرات پایدار به‌نام فرمیون‌های ماجورانا  را بتوان در کامپیوترهای کوانتومی استفاده کرد تا اطلاعات را ذخیره کنند.

تلورید جیوه استفاده شده توسط مولنکامپ، یک عایق توپولوژی شناخته شده است، ولی رفتار عایقی توپولوژی تاکنون تنها در لبه‌های نقره‌ای بسیار باریک این ماده دیده شده است. در نتایج اولیه‌ای که در جریان گردهمایی ارائه شد، مولنکامپ شواهدی را ارائه کرد که الکترون‌ها در سطح نمونه 3بعدی به گونه‌ای رفتار می‌کردند که انگار در یک عایق توپولوژی قرار دارند. او می‌گوید: «اگر این کار کند، ما می‌توانیم به طور آزمایشگاهی نظریه میدان کوانتومی را آزمایش کنیم».