مقاله : حالت چندم ماده

حالت چندم ماده!

 

تا کنون با سه شکل ماده آشنا شده اید: جامد، مایع و گاز. ولی این ها تمام حالات ماده نیستند. انواع مختلف ماده به طور کلی عبارتند از : جامد، مایع، گاز، پلاسما، ماده چگال بوز - انیشتین و حالتی که تقریبا به تازگی کشف شده، یعنی ماده چگال فرمیونی.

 

 

همه مردم، خصوصیات حالات معمولی مواد جامد، مایع و گاز را روی زمین می شناسند. مواد جامد در برابر تغییر شکل مقاومت می کنند و سفت و شکننده اند. مایعات جاری می شوند و به سختی متراکم می شوند و شکل ظرف را به خود می گیرند. گازها کم چگال ترند و راحت تر متراکم می شوند و نه تنها شکل ظرف محتوی خود را می گیرند، بلکه آن قدر منبسط می شوند که کاملا آن را پر کنند.

صفحه پلاسمای نورانی

حالت چهارم ماده، یعنی پلاسما شبیه گاز است و از اتم هایی تشکیل شده است که تمام یا تعدادی از الکترون های خود را از دست داده اند (یونیزه شده اند). بیش تر ماده جهان در حالت پلاسما است؛ مانند خورشید. پلاسما اغلب بسیار گرم است و می توان آن را در میدان های مغناطیسی به دام انداخت.

حالت پنجم با نام ماده چگال بوز انیشتین (condensate Bose Einstein) که در سال ١٩٩٥ کشف شد، در اثر سرد شدن ذراتی به نام بوزون ها (Bosons) تا دماهای بسیار پایین پدید می آید.

حرکت بوزون ها

تفاوت آرایش بوزون و فرمیون در مواد

 

بوزون های سرد در هم فرو می روند و ابر ذره ای که رفتار آن بیش تر، موج مانند است تا ذره معمولی، شکل می گیرد. ماده چگال بوز انیشتین ، شکننده است و سرعت عبور نور در آن بسیار کم است.

چگالش بوز انیشتین در یک بخار اتمی رقیق

حالت تازه، ماده چگال فرمیونی (Fermionic condensate) است. دبورا جین از دانشگاه کلورادو که گروهش در اواخر پاییز سال ١٣٨٢ موفق به کشف این شکل تازه ماده شده است، می گوید: وقتی با شکل جدیدی از ماده روبرو می شوید، باید زمانی را صرف شناخت ویژگی هایش کنید. آن ها این ماده تازه را با سرد کردن ابری از پانصد هزار اتم پتاسیم تا دمایی کم تر از یک میلیونیوم درجه بالاتر از صفر مطلق (کلوین) به وجود آوردند. این اتم ها در چنین دمایی بدون گران روی (ویسکوزیته) جریان می یابند و این نشانه ظهور ماده ای جدید است. اما مشخص نیست در دماهای پایین تر چه اتفاقی می افتد.

ماده چگال فرمیونی بسیار شبیه به ماده چگال بوز انیشتین (BEC) است. ذرات بنیادی (الکترون ها، پروتون ها و ...) و اتم ها در طبیعت می توانند به شکل بوزون یا فرمیون باشند. یکی از تفاوت های اساسی میان این ذرات، حالت های کوانتومی مجاز برای آن هاست.

یک جفت فرمیون می توانند با هم مانند بوزون رفتار کنند.

تعداد زیادی بوزون می توانند در یک حالت کوانتومی باشند؛ مثلا انرژی، اسپین و ... آن ها یکی باشد، اما مطابق اصل طرد پائولی، دو فرمیون نمی توانند هم زمان، حالت های کوانتومی یکسانی داشته باشند. برای همین، در آرایش اتمی، الکترون ها که فرمیون هستند، نمی توانند همگی در یک تراز انرژی قرار بگیرند. در هر اوربیتال تنها دو الکترون که اسپسن های متفاوت داشته باشند، جا می گیرند و الکترون های بعدی باید به اوربیتال دیگری با انرژی بالاتر بروند. بنابراین اگر فرمیون ها را سرد کرده و انرژی آن ها را بگیریم، ابتدا پایین ترین تراز انرژی پر می شود، اما ذره بعدی باید به ترازی با انرژی بالاتر برود.

فرمیون و بوزون

در مطلب قبلی با خصوصیات کلی حالت های جدید ماده آشنا شدیم . در این مطلب به ادامه این بحث می پردازیم.

وجود ماده چگال فرمیونی همانند ماده چگال بوز انیشتین از سال ها قبل پیش بینی شده بود و خواص آن محاسبه شده بود؛ اما رسیدن به دمای نزدیک صفر مطلق که برای تشکیل این ماده لازم است، تا کشف این ماده ممکن نشده بود. هر دو نوع این مواد چگال از فرو رفتن اتم ها در دماهای بسیار پایین ساخته می شوند.

تصویری از یک حلقه بوز انیشتین در طول زمان

 اتم های BEC بوزون اند و اتم های ماده چگال فرمیونی، فرمیون. اما این ها به چه معنی اند؟

فرمیون ها و بوزون ها در دماهای نزدیک صفر مطلق

بوزون ها می توانند همگی در یک تراز انرژی قرار گیرند. به طور کلی اگر مجموع تعداد الکترون ها + پروتون ها + نوترون های یک اتم، عددی زوج باشد، آن اتم یک بوزون است. مثلا اتم های سدیم معمولی بوزون اند و می توانند به حالت فاز چگال بوز انیشتین با هم ترکیب شوند.

اما فرمیون ها مطابق اصل طرد پائولی نمی توانند در یک حالت کوانتومی ادغام شوند. پاسخ این تفاوت های حالت های ماده را می توان در عواملی مانند اسپین یافت. هر اتمی که تعداد الکترون ها + پروتون ها + نوترون هایش عددی فرد باشد؛ مانند پتاسیم ٤٠ ، یک فرمیون است.

تفاوت اسپین بوزون ها و فرمیون ها

گروه دانشمندان کاشف فرمیون ها برای مقابله با خواص ویژه فرمیون ها از تأثیر میدان مغناطیسی بر آن ها استفاده کردند. میدان مغناطیسی باعث می شود فرمیون ها جفت شوند. قدرت این پیوند را میدان مغناطیسی تعیین می کند. با اعمال میدان، جفت های اتم های پتاسیم برخی از خواص فرمیونی خود را حفظ می کنند ولی کمی شبیه به بوزون ها عمل خواهند کرد. یک جفت فرمیون می توانند در جفت دیگر ادغام شده و جفت تازه در جفتی دیگر و به همین ترتیب کار ادامه می یابد تا زمانی که ماده چگال فرمیونی شکل گیرد.

در این پدیده، ویسکوزیته ماده به وجود آمده باید بسیار کم باشد. مشابه این پدیده را در ابر رسانایی می بینیم. در یک ابررسانا جفت الکترون ها (الکترون ها فرمیون اند) می توانند بدون هیچ مقاومتی جریان یابند. متأسفانه دسترسی به ابررساناها بسیار مشکل است. گرم ترین ابررسانای امروزی باید در دمای -١٣٥  درجه سانتی گراد عمل کند و این بزرگ ترین مشکل برای استفاده از آن هاست. قدرت جفت شدن شگفت انگیز در حالت جدید، دانشمندان را امیدوار کرده است که بتوانند یافته های خود درباره حالت تازه ماده برای تولید ابر رساناها در دمای اتاق استفاده کنند.

حرکت ژیروسکوپ

ابر رساناها کاربردهای فراوانی در علوم و فنون فضایی دارند. برای مثال، ژیروسکوپ هایی که برای هدایت فضاپیماها در مدار استفاده می شوند، با آهن ربای ابررسانا بسیار دقیق تر کار می کنند(ژیروسکوپ وسیله ای است که برای اندازه گیری یا حفظ جهت بر اساس اندازه حرکت زاویه ای کار می کند). همچنین ابررساناها می توانند حامل جریان های بیش تر در اندازه های کوچک تری نسبت به یک سیم مسی باشند، حجم موتورهایی که از آن ها ساخته می شود، ٤ تا ٦ برابر کوچک تر از موتورهای امروزی فضاپیماها خواهد بود.