فیزیکدان‌ها مدعی ساخت دستگاهی هستند که جرم منفی تولید می‌کند

فیزیک‌دان‌ها مدعی ساخت دستگاهی هستند که به گفته‌ی خودشان ذراتی تولید می‌کند که رفتاری شبیه به ذراتی با جرم منفی از خود نشان می‌دهند. این دستگاه جدید، ذرات عجیبی تولید می‌کند که جنس آن‌ها نیمی از نور و نیمی از ماده است. اگر این ذرات دما‌ی کافی داشته باشند، می‌توان به‌وسیله‌ی آن‌ها نوع جدیدی از لیزر ساخت. این لیزر‌ها در صورت سخته شدن، می‌توانند جایگزین تکنولوژی‌ها‌ی اخیر شوند؛ چرا که انرژی بسیار کم‌تری برای یک میزان بازده مشخص استفاده می‌کنند.

بر مبنا‌ی این دستاورد، کار‌ تئوری جدیدی در مورد شناخت ماهیت ذراتی به نام پلاریتون، پایه‌ریزی شده است. این ذرات به گونه‌ای رفتار می‌کنند که گویا جرم منفی دارند. این رفتار عجیب به این شکل است: اگر به ذراتی مانند پلاریتون‌ها نیرویی به سمت جلو وارد شود، به‌جای حرکت به جلو، رو به عقب حرکت می‌کنند.

در حال حاضر، فیزیک‌دان‌ها‌ی دانشگاه روچستر، دستگاهی طراحی کرده‌اند که به‌وسیله‌ی آن می‌توانند پلاریتون‌ها را در دما‌ی اتاق تولید کنند. آن‌ها این کار با دست‌کاری کردن فوتون‌ها‌ی محبوس‌شده انجام می‌دهند؛ به‌این صورت که فوتون ها را با نوعی از شبه‌ذرات به نام اکسایتون ترکیب می‌کنند تا به ماده‌ای از جنس نیمی نور و نیمی ماده دست یابند. دانشمندان، نام مناسب غبار جادویی را بر این جنس از ماده گذاشته‌اند.

به‌گفته‌ی فیزیک‌دان کوانتومی، نیک وامیواکاس، از مؤسسه‌ی اپتیک دانشگاه روچستر:

 از دید یک فیزیک‌دان، این پدیده به‌تنهایی بسیار جالب و مهیج است. اما به نظر می‌سد دستگاهی که ساخته‌ایم، راهی برای دست‌یابی به لیزر‌ها‌یی با توان بسیار کم به ما نشان خواهد داد.

قبل از این که وارد بحث لیزر شویم، اجازه بدهید توضیح دقیق‌تری در مورد این «غبار جادویی» متشکل از پلاریتون‌ها داشته‌باشیم. همان‌طور که قبلا گفتیم، تولید پلاریتون، با ترکیب فوتون و شبه‌ذره‌ای به نام اکسایتون انجام می‌شود.

اگر دنیای ذرات را مانند یک ارکستر سمفونیک در نظر بگیریم، هر‌کدام از الکترون‌ها، کوارک‌ها و فوتون‌ها، قسمتی از این ارکستر را تشکیل خواهند داد. اگر بخواهیم دقیق‌تر صحبت کنیم، باید بگوییم شبه ذرات، عضو اصلی این ارکستر سمفونیک نیستند. در عوض این ذرات رفتاری متفاوت با دیگر ذرات از خود نشان می‌دهند.

از آن‌جایی که شبه‌ذرات، شبیه ذرات جدا از هم رفتار می‌کنند، استفاده از آن‌ها به‌جا‌ی ذرات معمولی، ما را به هدف می‌رساند. در این‌جا، شبه ذرات به‌ کار گرفته‌شده، اکسایتون نام دارند. آن‌ها همان الکترون با بار مثبت هستند که به آن‌ها حفره‌ی الکترونی نیز گفته می‌شود.

دو ذره، به‌وسیله‌ی نیرو‌ی کولنی با یک‌دیگر جفت می‌شوند و معمولا زمانی یک جفت به‌وجود می‌آید که نور با مواد به‌خصوصی بر‌هم‌کنش کند. در این پژوهش، ماده‌ی مورد استفاده، نوعی نیم‌رسانا‌ی اتمی تشکیل‌شده از مولیبدن‌ دی‌سلناید است. 

پژوهشگران، این نیم‌رسانا را با میکرو‌کاواک‌ها‌ی اپتیکی (باریکه‌ی کوچکی از آینه‌ها‌ی متقاطع که برای به‌ دام انداختن فرکانس مشخصی از نور به‌صورت یک موج ایستاده استفاده می‌شود) ترکیب کردند. در‌نتیجه‌، اکسایتون با امواج نوری ایستاده ترکیب می‌شود و پلاریتون را به‌ وجود می‌آورند.

این شبه‌ذرات، کاملا جدید نیستند. اما طبق توضیحات پژوهشگران، تا‌به‌حال پلاریتون‌ها تنها از ترکیب اکسایتون‌ها و فوتون‌ها تولید شده‌اند و از ترکیبات پیچیده‌تر برای تولید آن‌ها استفاده نشده است. دستگاه جدید، امکان بررسی بر‌هم‌کنش بین انواع مختلف پلاریتون را برای پژوهشگران به‌وجود آورده است و این بر‌هم‌کنش‌ها، بسیار عجیب به نظر می‌رسند. وامیواکاس گفت: 

با دادن خاصیت نیم‌فوتون به یک اکسایتون، به پلاریتونی دست‌ پیدا می‌کنیم که جرم آن منفی است.

مفهوم جرم منفی به حدی پیچیده است که ممکن است بشر را گیج کند. اما کار در این زمینه بسیار مهم و باارزش است. جرم همیشه به‌عنوان مقاومت اجرام در برابر حرکت شناخته می‌شود. برای مثال: حرکت دادن یا متوقف کردن یک توپ بولینگ، از حرکت دادن یا متوقف کردن یک قطعه مرمر سخت‌تر است. در این شرایط، جسمی که جرم منفی داشته باشد، مثل پلاریتون، رفتاری قابل پیش‌بینی از خود نشان نمی‌دهد و نمی‌توانیم رفتاری شبیه به توپ بولینگ از آن انتظار داشته‌ باشیم. وامیواکاس گفت: 

فکر کردن در مورد این مسئله می‌تواند ذهن ما را کاملا به‌ هم بریزد. چرا که اگر شما جسمی با جرم منفی را هل دهید یا به سمت خود بکشید، جهت حرکت آن کاملا متضاد انتظار شما خواهد بود.

این پدیده می‌تواند کاربرد‌ها‌ی بسیار جالبی داشته باشد. از جمله این کاربرد‌ها در گسیل القایی تابش الکترومغناطیس است؛ پدیده‌ای که در لیزر به وقوع می‌پیوندد و باعث تابش الکترومغناطیسی الکترون‌ها می‌شود. وامیواکاس گفت: 

اگر از پلاریتون به‌عنوان ماده‌ی فعال لیزر استفاده کنیم، فرایند کار لیزر، کاملا متفاوت خواهد شد.

پلاریتون‌ها می‌توانند با توجه به عملکرد متفاوت خود، ما را قادر به ساخت لیزر‌ها‌یی با توان ورودی بسیار کم کنند. در سال‌ها‌ی اخیر، شبه ذرات قسمت بسیار مهمی از فیزیک ذرات را تشکیل داده‌اند. دانش این ذرات، کمک زیادی به پیشرفت تکنولوژی از جمله ابر‌رایانه‌ها می‌کند. فیزیک‌دان‌ها در تلاش هستند تا از غبار جادویی به‌عنوان پایه‌ی اصلی کامپیوتر کوانتومی استفاده کنند.

این پژوهش در مجله‌ی Nature Physics منتشر شده است.