بعد از ۸۵ سال: کشف همزاد گریزپای الکترون

در اواسط ماه ژوئیه‌ای که گذشت، انتظارات چنان بعید و متعدّدی در جهان علم و سیاست به ثمر نشست که اخبار حاکی از هرکدام‌شان را می‌شد یک‌تنه به موضوع پرونده‌ای برای یک ماهنامه‌ تخصصی اختصاص داد. ختم انتظار دوازده‌ساله توافق هسته‌ای ایران و ۱+۵ در چهاردهم ژوئیه، خبر پایان سفر نُه‌ساله فضاپیمای «افق‌های نو» در همین روز را به خرده‌سیاره پلوتو تا حدی تحت‌الشعاع خود قرار داد، و این هر دو باعث شدند تا خبر کشف احتمالی نخستین ذره زیراتمی از نوع «پنتاکوارک» (که وجودش از ۵۱ سال قبل پیش‌بینی شده بود) در شتاب‌دهنده LHC تقریباً نادیده بماند.

اما در این بین، خبر کشف مشابه دیگری هم در شانزدهم ژوئیه به رسانه‌ها رسید، که می‌توان گفت حتی جدی هم گرفته نشد: با گذشت ۸۵ سال از آغاز جست‌وجو پی «فرمیون‌های وایل» (شبه‌ذراتی که می‌توانند آینده الکترونیک را همان‌قدر از آن خود کنند که هم‌اینک الکترون کرده)، سرانجام این شبه‌ذرات توسط دو تیم از فیزیکدانان دانشگاه پرینستون و همچنین مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT)، مستقلاً آشکارسازی شدند.

فرمیون وایل چیست و چرا اهمیت دارد؟

الکترون‌ها، پروتون‌ها، و نوترون‌ها (که هر سه را در فیزیک دبیرستان، به‌عنوان مبادی سازنده ماده شناخته‌ایم)، به رده کلّی‌تری از ذرات زیراتمی، موسوم به «فرمیون»‌ها تعلق دارند.

فرمیون‌ها برخلاف دیگر رده اصلی ذرات زیراتمی، یعنی «بوزون»‌ها – که «حامل» نیرو تلقی می‌شوند (همچون ‌فوتون‌های نور) – می‌توانند که به همدیگر برخورد کنند و همچنین مکانی مشخص را به خود اختصاص دهند – چراکه هیچ دو فرمیونی نمی‌توانند همزمان در وضعیت مکانی مشابهی واقع شده باشند.

در سال ۱۹۲۸، فیزیکدان سرشناس بریتانیایی پل دیراک موفق شد که معادله ناظر بر رفتار فرمیون‌ها را استخراج، و بدین‌وسیله وجود ذره‌ای هم‌جرم الکترون اما با بار مثبت را پیش‌بینی کند – ذره‌ای موسوم به «پوزیترون»؛ که چهار سال بعد از آن کشف شد. با این وجود، معادله دیراک را به شیوه‌های دیگری هم می‌توان حل کرد، که نتیجه‌اش اثبات امکان‌پذیری وجود ذراتی حتی عجیب‌تر از پوزیترون‌ها خواهد بود: به‌عنوان نمونه، در سال ۱۹۳۷ بود که فیزیکدان ایتالیایی اتوره ماجورانا موفق شد راه حلی را برای معادله دیراک استخراج کند که ذره هم‌ارز آن، پادذره خود نیز می‌بود. این نوع فرمیون‌های عجیب که به «فرمیون‌های ماجورانا» مشهور شدند، فاقد ماهیت ذره‌ای‌ هستند و خود را به هیأت مجموعه‌کنش‌هایی «شبه‌ذره‌ای» به نمایش می‌گذارند.

در سال ۱۹۲۹ نیز ریاضیدان و فیزیکدان آلمانی، هرمان وایل موفق به استخراج پاسخی برای معادله دیراک، این‌بار مبتنی بر فرض وجود ذراتی «فاقد جرم» شده بود – فرمیون‌های فرضی‌ای که از آن پس به «فرمیون‌های وایل» (Weyl Fermions) معروف شدند. انتظار می‌رفته که فرمیون‌های وایل هم به‌واسطه فقدان جرم‌شان، رفتاری شبه‌ذره‌‌ای از خود بروز بدهند.

این نوع‌ از فرمیون‌ها که از الکترون‌ها هم بنیادی‌ترند (به‌طوری‌که از ادغام دو فرمیون وایل می‌توان یک ‌شبه‌الکترون بی‌جرم داشت) به‌واسطه بی‌جرم بودن‌شان می‌توانند عملکرد بهینه‌تری در رد و بدل بار الکتریکی نسبت به الکترون‌ها به نمایش بگذارند. به عبارت بهتر، سرعت رد و بدل جریان الکتریسیته از طریق این شبه‌ذرات، دو برابر سرعت این جریان در ترکیبات رسانای نوآورانه‌ای همچون گرافین، و نیز هزار برابر جریان الکتریسیته در نیمه‌رساناهای معمولی است.

از این گذشته، فرمیون‌های وایل برخلاف الکترون‌ها نمی‌توانند مسیر رفته را بازگردند (و فرضاً از سطحی «منعکس» بشوند)، بلکه همچون شبح از بین موانع می‌گذرند؛ و این‌ها همه حاکی از موقعیت مطلوب این شبه‌ذرات برای نقش‌آفرینی کلیدی‌شان در نسل آتی سامانه‌های الکترونیک، از طریق تولید شبه‌الکترون‌هایی بی‌جرم است – هرچند که باید از آن پس این شاخه را چیزی شبیه «وایل‌ترونیک» نامید.

تا مدت‌ها تصور می‌رفت که آنچه هم‌اینک ذره «نوترینو» نامیده می‌شود همان فرمیون وایل است؛ اما در سال ۱۹۹۸ و با کشف این‌که نوترینوها واجد جرمی فوق‌العاده اندک‌اند (و لذا فاقد جرم نیستند)، چنین احتمالی به بن‌بست خورد.

فرمیون‌ها در بلورهای آرسنید تانتال

۸۵ سال از پی آغاز جست‌وجوها پی این موهبت زیراتمی، تیمی از فیزیکدانان دانشگاه‌ پرینستون و نیز آکادمی علوم چین موفق شده‌اند که این ‌شبه‌ذره را در یک بلور فلزیِ ترکیبی‌ از جنس آرسنیدِ تانتال (TaAs) تشخیص بدهند – موقعیتی نسبتاً متفاوت و البته کم‌سروصداتر از آنچه در تأسیسات عریض و طویل یک شتاب‌دهنده در جریان است.

همین فرآیند نسبتاً کم‌دردسرتر البته مزیّتی‌ست که از ثبات فیزیکی، و امکان‌پذیری بازتولید فرمیون‌های وایل در جهان ماکروسکوپیک حکایت دارد – چراکه تقریباً تمام ذرات تولیدشده در قلب شتاب‌دهنده‌ها فوق‌العاده ناپایدار و غیرقابل تثبیت‌اند. البته فرمیون‌های وایل را هم نمی‌توان به‌تنهایی و به‌نحوی مجزّای از بلورهایی همچون آرسنید تانتال (که به «نیمه‌فلزات وایل» معروف‌اند) فرآوری کرد، بلکه در واقع باید آن‌ها را کنش‌های الکتریکی منحصربفردی در ساختار شیمیایی این بلورها پنداشت که رفتاری مشابه ذراتِ واقع در خلأ از خود بروز می‌دهند – و لذا موجودیت‌شان، از این بلورها غیرقابل تفکیک است.

همزمان با این کشف، تیمی از پژوهش‌گران MIT و همچنین دانشگاه ژیژیانگ چین هم موفق‌ به تشخیص فرمیون‌های وایل، این‌بار در ترکیبی از یک جنس دیگر شده‌اند.

این تازه شروع راهی‌ست که آینده‌ بس درخشانی را می‌توان برایش متصور بود – کمااینکه زاهد حسن، از محققین حاضر در تیم دانشگاه پرینستون اعلام کرده که آن‌ها هم‌اینک درصددند تا ببینند آیا می‌توان فرمیون‌های وایل را در بلورهای نیمه‌فلزی مبتنی بر عناصر مقرون‌به‌صرفه‌تری نظیر نیوبیوم و سیلسیوم هم فرآوری کرد یا خیر.