خلق پدیده عجیب «گوی آذرخش» در محیط آزمایشگاه

به گزارش خبرآنلاین، «گوی آذرخش» یا «صاعقه توپی» پدیده‌ای نادر و شگفت‌انگیز است که در طول تاریخ توسط شاهدان عینی اندکی توصیف شده و سال‌هاست که ذهن محققان را به خود مشغول کرده است. این گوی‌های درخشان پس از توفان‌های تندری در حوالی غروب ظاهر می‌شوند و شبیه به کره‌های آتشین کوچک دیده می‌شود.تاکنون به جز چند فرضیه، توضیحی برای علت ظهور آن‌ها ارائه نشده و این، اولین‌بار است که فیزیکدانان موفق می‌شوند شکلی مینیاتوری «گوی آذرخش» را در آزمایشگاه خلق و این معمای دیرین را حل کنند.

آنچه فیزیکدانان در آزمایشگاه خلق کرده‌اند، «اسکایرمیون شانکار» (Shankar skyrmion) نامیده می‌شود؛ میدان مغناطیسی مصنوعی سه‌بعدی، درهم‌تنیده و فشرده‌ای که در چگالش بوز-اینشتین شکل گرفته است. چگالش بوز-اینشتین، پس از حالت‌های جامد، مایع، گاز و پلاسما، پنجمین حالت ماده است و در دمای نزدیک به صفر کلوین (۲۷۳ درجه سانتی‌گراد زیر صفر) پدیدار می‌شود. به کمک این حالت عجیب می‌توان عجیب‌ترین اثرات کوانتومی را در مقیاس ماکروسکوپی بررسی کرد.

«میکو موتونن»، پژوهشگر دانشگاه آلتو در فنلاند و نویسنده این تحقیق می‌گوید: «نکته جالب‌توجه درباره گازهای کوانتومی این است که می‌توانید از آن‌ها عکس بگیرید و جزئیات ساختار را به دقت بررسی کنید. ما با چشم‌های خودمان، گوی آذرخش را دیدیم و به خلق آن ایمان داریم».

شبه‌ذره اسکایرمیون فارغ از اینکه جرمی زیبا و درهم‌پیچیده از اتم‌هاست، می‌تواند نمایش کاملی از میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی تشکیل‌دهنده گوی آذرخش ارائه دهد. موتونن می‌گوید: «بهترین لحظه برای اعضای تیم، لحظه‌ای بود که فهمیدیم میدانی الکترومغناطیسی مشابه آنچه برای گوی‌های آذرخش پیش‌بینی شده است، خلق کرده‌ایم. هدف ما این نبود، اما نتیجه شگفت‌انگیزی به دست آوردیم».

پژوهشگران برای انجام این آزمایش به «اسپین» که یکی از خواص بنیادی ذرات زیراتمی است، تکیه کردند؛ این خاصیت می‌تواند از هر یک از این ذرات آهنربایی بسیار کوچک بسازد. آن‌ها سیستمی از اتم‌های روبیدیوم را تا دمای نزدیک به صفر مطلق سرد کردند و آن‌ها را به حالت چگالش بوز-اینشتین درآوردند؛ سپس با به‌کارگیری میدان مغناطیسی خارجی در این ماده چگال، اسپین تمامی اتم‌های روبیدیوم موجود را هم‌جهت کردند. درنتیجه این تغییر، همگی آن‌ها در سطح گوی و هم‌جهت حرکت می‌کردند؛ اما هر یک مسیر اختصاصی خود درون آن داشتند.

پیکربندی‌های متعددی برای اسکایرمیون‌ها پذیرفته شده است؛ البته در صورتی که از این دو شرط تبعیت کنند:

۱- هر خط میدان مغناطیسی، دایره‌ای است که یک‌بار با دیگر دوایر پیوند خورده است.

۲- اگر مسیرهای دواری را که اسپین یکسانی دارند در درون اسکایرمیون دنبال کنید، اتم دو بار خواهد پیچید.

اسکایرمیون، میدان مغناطیسی مصنوعی است که در اینجا با آرایش اتم‌های روبیدیوم شکل گرفته و می‌تواند هر ذره‌ای را به سفری پرپیچ‌وخم ببرد. برای شکل گرفتن آن، به میدان الکتریکی درهم‌تنیده و ذره‌هایی نیاز است که بتوانند مجتمع شوند و ساختار پیچیده‌ای را درون گاز خلق کنند. چگالش بوز-اینشتین سیستمی تقریبا ماکروسکوپیک (بزرگ‌مقیاس) است که می‌تواند از ده‌ها میکرومتر تا صدها میکرومتر در هر سمت گسترش داشته باشد. (هزار میکرومتر برابر یک میلی‌متر است.)

شرح عکس: سایه اسکایرمیون، ساختار پیچیده‌ای را نشان می‌دهد که متشکل از مجموعه ذرات در سه حالت اسپینی متفاوت است. ردیف بالا، شکل‌هایی را نشان می‌دهد که محققان انتظار داشتند ببینند و ردیف پایین، شکل‌هایی که در آزمایش دیده شده است.

پژوهش‌های آتی روی اسکایرمیون‌ها می‌تواند بسیار ارزشمندتر از مدل‌سازی گوی آذرخش باشند. این شبه‌ذرات، توپولوژیک هستند و تا زمانی که از قوانین توپولوژی تبعیت کنند، می‌توانند آرایش‌های متعددی را تجربه کنند. اجسام توپولوژیک به اجسامی گفته می‌شود که می‌توانند درحالی‌که خواص ذاتی خود را حفظ کرده‌اند، شکل‌های دیگری با بپذیرند. به‌عنوان‌مثال، دونات و فنجان سفالی را در نظر بگیرید که هنوز وارد کوره نشده‌اند.

شما می‌توانید دونات را به لیوان تغییر شکل بدهید و در عین حال از نظر توپولوژیک آن‌ها هم‌ارز بمانند، چراکه هر دو یک سوراخ در بدنه خود دارند (سوراخ میانی دونات و سوراخ دسته‌ی فنجان). اسکایرمیون‌ها هم می‌توانند درحالی‌که تغییر شکل داده‌اند، باز هم اسکایرمیون باشند. این خاصیت باعث می‌شود آن‌ها گزینه مناسبی برای محاسبات کوانتومی به شمار بیایند، چون می‌توانند درحالی‌که در برابر فشارهای محیط خارجی ناچار به تغییر شکل شده‌اند، حالت همدوس خود را حفظ کنند.

محبوبه عمیدی