در گردهمایی سالیانه انجمن فیزیک آمریکا در شهر پرتلند ایالت اورگان در سال 2010 هزاران فیزیک دان شرکت کرده بودند، مدام از یک جلسه به جلسه دیگر می رفتند تا ببینند که همکارانشان چه چیز جالب و شگفت انگیزی در آستین دارند. به گزارش نیچر، بسیاری از شاخه های علم فیزیک مانند اپتیک، فیزیک الکترونیک و فیزیک حالت جامد، ریشه در نظریه های مکانیک کوانتوم دارند. این نظریه ها که کمابیش در دهه 1930 میلادی تکمیل شده اند، قادرند رفتار ماده یا نور را به خوبی توصیف کنند. اما در گردهمایی امسال، همه از یک نوآوری صحبت می کردند: گروهی عجیب از مواد که با عنوان عایق های توپولوژیک شناخته می شوند. برجسته ترین خاصیت این مواد این است که آنها جریان الکتریسیته را تنها بر روی سطح خود منتقل می کنند. این امر دلیل ریاضی پیچیده ای دارد، از این رو فیزیک دانانی مانند زاهد حسن از دانشگاه پرینستون می کوشند رفتار این مواد را، با مفاهیم ساده تر همچون نظریه "ابر ریسمان" توضیح دهند. در حال حاضر این مواد کاربردهای گسترده ای را، از آزمایش های پیشرفته فیزیک ذرات گرفته تا فناوری های کاربردی رایانه های کوانتومی شامل می شوند. با این وجود فیزیک دانان هنوز مشغول بررسی فرمول بندی های مختلف این مواد در آزمایشگاه های خود هستند تا توانایی دستیابی این مواد را به پیش بینی های فراوانی که در خصوص رفتار آنها شده است، دریابند.

عایق توپولوژیک چیست؟ یک عایق توپولوژیک، ماده ای است که به الکترون ها اجازه می دهد نه از داخل آن، بلکه تنها روی سطح آن حرکت کنند. اگرچه این تعریف خیلی واضح به نظر می رسد، اما در حقیقت آن قدر هم سر راست نیست. فلزات معمولی الکترون ها را در همه جهات منتقل می کنند، در حالی که عایق های معمولی به هیچ وجه الکترون ها را منتقل نمی کنند. یک تکه چوب که با مس روکش شده، الکترون ها را تنها در سطح خود منتقل می کند، اما این وسیله از دو ماده مختلف، و نه یک ماده واحد ساخته شده است. مفهوم یک عایق توپولوژیک به قدری عجیب و ناشناخته است که برای مدت های طولانی، فیزیک دانان باور نداشتند که چنین ماده ای بتواند وجود داشته باشد. اما در سال 2004 که چارلز کین، فیزیک دان نظری دانشگاه پنسیلوانیا نتیجه مطالعات خود را بر روی ورقه هایی از کربن به نام گرافن منتشر کرد، همه تصورات تغییر کرد. محاسبات کین بیان می کرد که حرکت الکترون ها در این ماده که تنها به اندازه یک اتم ضخامت دارد، یادآور اثر هال است که نخستین بار در سال 1980 مشاهده شد. اثر هال هنگامی اتفاق می افتد که الکترون ها در اثر اعمال میدان های الکتریکی و مغناطیسی قوی به مواد خاصی، در لایه های نازکی از این مواد محبوس شوند و سپس تا نزدیکی صفر مطلق سرد شوند. در چنین دمایی، رفتارهای تصادفی الکترون ها به یک رفتار دسته جمعی منظم تر تبدیل می شود که تابع قوانین مکانیک کوانتوم است. آنچه کین و گروهش در محاسبات مربوط به گرافن مشاهده کردند، دقیقا مشابه اثر هال نبود. با این وجود، بررسی های بیشتر نشان داد که این ماده ممکن است نوع دیگری از مواد لایه نازک با رفتار مشابه باشد. با این تفاوت که این دفعه برای حرکت هماهنگ الکترون ها، نیازی به استفاده از میدان های عظیم مغناطیسی یا دماهای فوق سرد نیست. نتیجه کار کین و همکارانش به سرعت مورد توجه قرار گرفت. جوئل مور، نظریه پرداز دانشگاه برکلی کالیفرنیا از محاسبات کین استفاده کرد تا نشان دهد که تکه های سه بعدی مواد نیز می توانند اثرات کوانتومی از خود نشان دهند. البته در این حالت حرکت الکترون ها در سطح ماده، نسبت به ورقه نازک و مسطح استفاده شده توسط کین پیچیده تر است. مور همچنین به این مواد یک نام جدید داد. کین این مواد را برای نشان دادن مشخصات مکانیک کوانتومی که باعث بروز این پدیده می شد، «ثوابت توپولوژیک Z2 جدید» نامید، اما مور نام عایق های توپولوژیک را برای آنها برگزید.

وی در این خصوص می گوید: «ما از اینکه هر بار مجبور بودیم چنین نام طولانی را تایپ کنیم، کلافه شده بودیم. بنابراین این نام را انتخاب کردیم. من نمی دانم که این عبارت به اندازه کافی گویا است یا خیر، اما حداقل کوتاه است!» مواد توپولوژیک در همین حال، شواچنگ ژانگ و همکارانش در داشنگاه استنفورد، مشغول تحقیق در این خصوص بودند که چه موادی می توانند یک عایق توپولوژیک باشند. آنها دریافتند که در بسیاری از مواد، ارتباط بین الکترون ها و هسته برای ایجاد چنین رفتاری بسیار ضعیف است. اما با سنگین تر شدن هسته، این ارتباط نیز قوی تر می شود. در سال 2006 ژانگ پیش بینی کرد که بلور ساخته شده از عناصر سنگین جیوه و تلوریم، قادر است رفتار یک عایق توپولوژیک را از خود نشان دهد. در همان سال، لاورنس مولنکمپ، فیزیک دان دانشگاه ورزبورگ آلمان و گروهش توانستند با گسترش یک لایه نازک از بلور تلورید جیوه، درستی پیش بینی ژانگ را نشان دهند. اما تلورید جیوه ماده مناسبی برای عایق های توپولوزیک نیست، زیرا ساخت بلورهای تلورید جیوه بسیار دشوار است. همچنین این مواد یک عایق توپولوژیک کامل محسوب نمی شوند، زیرا مقدار کمی الکتریسته را نیز از درون خود عبور می دهند.

عایق های توپولوژیک جدید بر پایه بیسموت ساخته می شوند. این مواد ارزان هستند و ساخت آنها راحت است، و باعث شکوفایی مبحث عایق های توپولوژیک شدند. زاهد حسن از شرکت کنندگان در همایش سال 2010 در این باره می گوید: «در گردهمایی اخیر، تمام بحث و جدل ها بر اساس ترکیبات ساخته شده بر پایه بیسموت بود. هر شخصی می تواند این مواد را بسازد و شما برای مشاهده اثرات توپولوژیک، نیازی به یک بلور با خلوص زیاد ندارید.» اثرات مورد اشاره حسن فراتر از حرکت الکترون ها تنها بر روی سطح مواد است. برای مثال، تمام الکترون ها اسپین کوانتومی یکسانی دارند. در نتیجه عایق های الکترونیک مواد مناسبی برای ساخت مدارهای الکترونیک اسپینی هستند. این مدارها از جهت گیری اسپین الکترون ها برای رمزگذاری اطلاعات استفاده می کنند و می توانند آغازگر راهی نو در فناوری رایانه باشند.

محققان اعتقاد دارند که حرکت دسته جمعی الکترون ها درون عایق های توپولوژیک، تقلیدی از رفتار ذراتی است که توسط فیزیک دانان انرژی بالا پیش بینی شده اند. از جمله این ذرات می توان آکسیون (Axions) و تک قطبی مغناطیسی را نام برد. این تقلید چندان چیز عجیبی نیست. به گفته فرانک ویلچک، فیزیک دان ام.آی.تی و از برندگان جایزه نوبل، رفتار دسته جمعی الکترون ها تنها با استفاده از یک سری از معادلات ساده قابل توصیف است. وی می گوید: «تنها تعداد اندکی از این معادلات واقعا ساده وجود دارند که شما می توانید آنها را بنویسید. بنابراین نظریه عایق توپولوژیک و نظریه های فیزیک ذانان ذرات، نهایتا به یک چیز منتهی می شوند.»

ارزش محاسبات، آزمایش ها و کاربردهای عایق های توپولوژیک به همراه در دسترس بودن آنها، این شاخه از فیزیک را به موضوع مورد علاقه فیزیک دانان تبدیل کرده است. تاکنون کشف دو گونه مختلف اثر هال، جایزه نوبل را برای کاشفان آنها به ارمغان آورده است. به همین دلیل، بسیاری از فیزیک دانان معتقدند که یک جایزه نوبل نیز در انتظار شخصی است که بتواند بیشترین سهم را در گسترش و رشد این مبحث داشته باشد. اگرچه کین می گوید که در حال حاضر به چنین چیزی فکر نمی کند، اما رقابت موجود وی را وادار می کند که قبول کند دیگران از کارهای وی اطلاع دارند. نتایج مطالعات آینده است که مشخص می کند آیا عایق های توپولوژیک ارزش این همه توجه را داشته اند یا خیر. با این وجود مور می گوید که یک جاذبه انکارناپذیر در خصوص بررسی این مطلب وجود دارد، که چطور رفتار دسته جمعی الکترون ها منجر به چنین رفتار عجیب و غریبی می شود. باید منتظر نشست تا معلوم شود که کشف این مواد نهایتا چه تأثیری بر زندگی بشر خواهند داشت.

منبع: http://www.khabaronline.ir/news-76993.aspx