کشف ذره جدید چهارتایی در دنیای کوانتوم
دانشمندان موفق به شناسایی نوعی شبه‌ذره جدید چهارتایی در یک نیمه‌رسانای دوبعدی شده‌اند که آن را «چهارپلون» (Quadruplon) نامیده‌اند. این کشف با استفاده از آزمایش‌های نوری و مدل‌سازی‌های نظری پیشرفته انجام شده و مشخصه‌های طیفی منحصربه‌فردی را نمایان کرده که با مدل‌های موجود قابل تبیین نبودند.
در جستجوی ماهیت پیچیده مواد
به گزارش ساینس دیلی، یکی از اهداف بنیادین فیزیک، درک دلایل بروز ویژگی‌های خاص در مواد مختلف است؛ ویژگی‌هایی نظیر رفتار الکتریکی، نوری، گرمایی یا مغناطیسی. این ویژگی‌ها زیربنای بیشتر فناوری‌های امروزی هستند. نظریه‌های نوین کوانتومی توضیح می‌دهند که این خواص به‌واسطه برهم‌کنش‌های ذرات بنیادی و تحریکات کوانتومی شکل می‌گیرند که اغلب به‌صورت شبه‌ذره شناخته می‌شوند.
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. همچنین ساختار‌هایی پیچیده‌تری نظیر اکسیتون‌ها (جفت‌های الکترون-حفره مشابه اتم هیدروژن) و بی‌اکسیتون‌ها (دو اکسیتون جفت‌شده که ساختاری شبیه مولکول هیدروژن دارند) نیز وجود دارند.
با آنکه بی‌اکسیتون‌ها از چهار ذره تشکیل شده‌اند، اغلب به‌عنوان یک سیستم قابل تجزیه به دو اکسیتون در نظر گرفته می‌شوند؛ بنابراین، ماهیت آنها دو-ذره‌ای محسوب می‌شود. اما از مدت‌ها پیش، فیزیک‌دانان احتمال وجود شبه‌ذرات چهار-ذره‌ای واقعی را مطرح کرده‌اند که قابل کاهش به سیستم‌های دو-ذره‌ای نباشند. تاکنون شواهد تجربی بسیار اندکی برای چنین حالت‌هایی وجود داشته و هیچ‌یک نیز در نیمهرساناها تأیید نشده بود.
نخستین شواهد تجربی از شبه‌ذره واقعی چهارتایی
در مقاله‌ای جدید که در نشریه eLight منتشر شده، تیمی از دانشمندان به رهبری کون-ژنگ نینگ از دانشگاه فناوری شنژن و دانشگاه تسین‌هوا چین، نتایج تجربی و نظری خود را منتشر 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 استفاده کردند که بین دو لایه نازک از نیترید بور قرار گرفته بود. الکترود فلزی به بخش بالایی متصل شده و لایه پایین نیترید بور نیز به‌عنوان 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 تغییر پاسخ‌های طیفی را با ولتاژ گیت بررسی کنند.
آزمایش‌های پمپ-پروب و رد فرضیات قبلی
برای بررسی ویژگی‌های طیفی، تیم از روش «پمپ-پروب نوری» بهره برد: پالس قوی نوری بسیار کوتاه (در حد چند صد فمتوثانیه) ابتدا برای تحریک الکترون‌ها ارسال شد و سپس پالس ضعیف‌تری با تأخیر اندک به‌عنوان پروب جهت مشاهده جذب فوتون‌ها توسط سیستم استفاده شد.
در این فرآیند، پالس پمپ باعث ایجاد 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 معمولاً دربرگیرنده چهار ذره هستند. از طریق اندازه‌گیری نور بازتاب‌شده یا عبوری پالس پروب، می‌توان به اطلاعات ارزشمندی درباره این حالت‌های نهایی و چهار-ذره‌ای دست یافت.
به دلیل طول عمر کوتاه این شبه‌ذرات (در حد پیکوثانیه)، پالس پروب باید به‌سرعت بعد از پالس پمپ برسد. برای تحلیل سیستماتیک‌تر، تیم تحقیقاتی پارامتر‌هایی نظیر ولتاژ گیت، قدرت پالس پمپ، تأخیر زمانی، انرژی و قطبش پالس‌ها و دمای نمونه را تغییر داد. در هر آزمایش، شبه‌ذرات خاصی به‌صورت قله‌هایی در طیف جذب ظاهر می‌شدند.
شگفتی در نتایج: قله‌هایی فراتر از شناخته‌شده‌ها
در بررسی‌ها شبه‌ذرات شناخته‌شده نظیر اکسیتون، تریون و بی‌اکسیتون تنها به شکل یک یا دو قله زیر قله اکسیتون در طیف ظاهر می‌شدند. اما به‌گفته نینگ، “ما با شگفتی دریافتیم که در طیف جذب، دست‌کم شش قله زیر قله اکسیتون مشاهده می‌شود. “
با توجه به امکان ایجاد این قله‌ها بر اثر 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 هستند. همچنین بررسی تأثیر دما و توان پالس پمپ بر این قله‌ها، تأیید کرد که منشأ آنها ذاتی و نه حاصل از نقص‌هاست.
ضرورت توسعه نظریه‌ای جدید
پس از تثبیت ماهیت واقعی این قله‌ها، پژوهشگران تلاش کردند آنها را بر پایه نظریه‌های موجود توضیح دهند. اما هیچ‌کدام از مدل‌های پیشین شامل اکسیتون، تریون یا بی‌اکسیتون قادر به توضیح کامل طیف نبود؛ بنابراین تیم ناچار شد تمام برهم‌کنش‌های کولنی بین دو الکترون و دو حفره را در نظر بگیرد. مدل جدید به‌خوبی با نتایج تجربی انطباق داشت.
نقش گسترش خوشه‌ای در کشف چهارپلون
با اینکه مدل کامل به پاسخ دقیقی رسیده بود، اما فاقد تصویری شهودی بود. به همین دلیل، نینگ از دانشجویانش خواست از روشی شهودی‌تر به نام گسترش خوشه‌ای استفاده 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 کاهش نیست، مسئول ایجاد این قله‌های جدید در طیف است. این خوشه نماینده ذره مرکبی جدید به نام چهارپلون است که در ادبیات نظری پیشین نیز پیش‌بینی شده بود.
پژوهشگران قصد دارند این ویژگی‌ها را در مواد دیگری نیز بررسی کنند. آنها همچنین معتقدند ویژگی‌های تابش نوری چهارپلون می‌تواند ماهیت کوانتومی جدیدی از این ساختار پیچیده‌ی چند-بدنی را آشکار سازد.
انتهای پیام/
همسونیوز صرفا این خبر را بازنشر کرده است، مسئولیت خبر بر عهده خبرگزاری منتشر کننده خبر می باشد.
