ابرجامد نوری، دستاورد بزرگ کوانتومی؛ وقتی نور «منجمد» می‌شود

ازآنجاکه الکترون و حفره، به‌دلیل بار الکتریکی مخالف، به سمت یکدیگر جذب می‌شوند، یک جفت تشکیل می‌دهند و به‌صورت ذره‌ای واحد رفتار می‌کنند. این سیستم، انرژی تحریک‌شده‌ای دارد و به‌همین‌دلیل به آن اکسایتون می‌گویند (Exciton از Excite به‌معنی تحریک گرفته شده است).

شکاف‌های دقیق طراحی‌شده روی نیمه‌رسانا، حرکت پولاریتون‌ها را محدود و شرایطی ایجاد کردند که آن‌ها بتوانند در یک ساختار منظم کنار هم قرار بگیرند. درنتیجه، این ذرات به‌ هم پیوسته، و حالتی را شکل دادند که هم نظم بلوری یک جامد را دارد و هم مانند یک ابرشاره، می‌تواند بدون هیچ اصطکاکی جریان داشته باشد؛ ویژگی‌ای که تاکنون تنها در مواد کوانتومی خاص دیده شده بود.

یکی از چالش‌های اساسی در این پژوهش، اثبات این موضوع بود که آیا ماده‌ی ساخته شده واقعاً تمام ویژگی‌های یک ابرجامد را دارد یا خیر. پژوهشگران باید نشان می‌دادند که این سیستم نه‌تنها ساختاری بلوری و منظم دارد، بلکه هم‌زمان می‌تواند بدون اصطکاک جریان داشته باشد. بررسی‌های دقیق نشان دادند که این ماده‌ی جدید هر دو ویژگی را دارد، و بنابراین، نخستین نمونه‌ی ابرجامدی محسوب می‌شود که کاملاً از نور تشکیل شده است.

برای درک بهتر اینکه چطور نور می‌تواند به یک ابرجامد تبدیل شود، تصور کنید وارد یک سالن سینمای شلوغ شده‌اید که فقط سه صندلی در ردیف اول دارد: یکی در وسط و دوتای دیگر در دو سر سالن. همه‌ی تماشاگران بهترین دید را از صندلی وسط دارند و به‌دنبال نشستن روی آن هستند. در دنیای کلاسیک، فقط یک نفر می‌تواند آن صندلی را اشغال کند؛ اما در دنیای کوانتومی، که در آن ذرات بوزونی تابع قواعد متفاوتی هستند، افراد (ذرات) می‌توانند همزمان روی یک صندلی بنشینند! این پدیده همان چیزی است که فیزیک‌دانان آن را «چگالش بوز–اینشتین» می‌نامند.

در آزمایش اخیر، پژوهشگران ساختاری از جنس آرسنید گالیوم طراحی کرده‌اند که حرکت فوتون‌ها (ذرات نور) را هدایت می‌کند. زمانی که فوتون‌ها وارد این بستر شدند، در ابتدا به‌طور پراکنده و نامنظم پخش می‌شدند. اما به‌مرور و با اضافه‌شدن فوتون‌های بیشتر، شروع به تشکیل چگالش در پایین‌ترین سطح انرژی کردند؛ درست مانند تماشاگرانی که کم‌کم به سراغ بهترین صندلی سالن در دنیای کوانتومی می‌روند.

اما درست همان‌طور که در یک سالن شلوغ، فشار جمعیت باعث می‌شود برخی تماشاگران به صندلی‌های اطراف بروند، در دنیای فوتون‌ها هم تعاملات بین آن‌ها باعث می‌شود برخی از ذرات نور به حالت‌های مجاور رانده شوند. این فرآیند که «پراکندگی پارامتریک» (Parametric Scattering) نام دارد، به تشکیل «چگالش‌های ماهواره‌ای» (Satellite Condensates) در نقاط خاصی از سیستم منجر می‌شود.

نتیجه‌ی این پدیده، شکل‌گیری الگویی تکرارشونده از چگالش‌ها است؛ ساختاری منظم که یادآور نظم اتمی یک جامد است. با این حال، این چگالش‌ها همچنان توانایی جاری‌شدن بدون اصطکاک را حفظ کرده بودند—در واقع، ترکیبی شگفت‌انگیز از نظم جامدگونه و رفتار سیال‌مانند. به این ترتیب، پژوهشگران توانستند برای نخستین‌بار، نمونه‌ای از یک ابرجامد نوری بسازند؛ حالتی از ماده که همزمان قوانین نظم و آزادی را به شکلی بی‌سابقه در آغوش می‌کشد.

تاکنون ابرجامدها عمدتاً در محیط‌های بسیار سرد و در بستر گازهای اتمی فراسرد مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، اما استفاده از فوتون‌ها، دروازه‌ای تازه به دنیای این فازهای عجیب و کوانتومی باز می‌کند. برخلاف سیستم‌های اتمی که به کنترل دمای بسیار دقیق و تعاملات ظریف بین ذرات نیاز دارند، پلتفرم‌های فوتونی امکان دستکاری آسان‌تر و مشاهده‌ی آنی را فراهم می‌کنند.

این دستاورد، فراتر از جذابیت نظری، پتانسیل‌های عملی قابل‌توجهی دارد: از رایانش کوانتومی گرفته تا ارتباطات نوری پیشرفته و حتی طراحی مواد نو با رفتارهای مهندسی‌شده‌ی کوانتومی. فوتون‌ها که اساس انتقال اطلاعات در سیستم‌های نوری هستند، با کنترل کوانتومی دقیق، می‌توانند به دروازه‌ای به سوی نسل جدید فناوری‌های پردازش سیگنال و انتقال اطلاعات کوانتومی تبدیل شوند.

همچنین این پژوهش بار دیگر بر اهمیت روزافزون مواد کوانتومی مهندسی‌شده تأکید می‌کند: سیستم‌هایی که برای بروز رفتارهای خاص کوانتومی، تحت شرایط دقیق طراحی می‌شوند. با ادامه‌ی اکتشاف در قلمرو ابرجامدهای نوری، ممکن است پژوهشگران به فازهای کاملاً جدیدی از ماده دست پیدا کنند و به درک عمیق‌تری از ماهیت بنیادین جهان برسند.