5 دقیقه
الکترونهای شبیه فوتون و یک کلاس جدید از مواد کوانتومی
مواد کوانتومی حامل‌های بار عجیب و غریبی دارند که می‌توانند بیشتر شبیه فوتون‌ها رفتار کنند تا الکترونهای معمولی. در تاریخ 13 سپتامبر 2025، پژوهشگران دانشگاه اهیمه گزارش دادند که سنتز و مطالعهٔ ترکیبی نظری–تجربی خانواده‌ای از ترکیبات آلی انتقال بار را انجام داده‌اند که الکترونهای آنها رفتار نسبیتی و شبیه فوتون نشان می‌دهند. این الکترونهای موسوم به الکترونهای دیرَک می‌توانند عملاً بدون جرم باشند و با سرعت‌هایی نزدیک به سرعت نور در شبکهٔ بلوری حرکت کنند، تولید پاسخ‌های الکترونیکی و مغناطیسی متمایزی که مواد کوانتومی را از جامدات معمولی جدا میکند.
زمینهٔ علمی: الکترونهای دیرَک و پراکندگی خطی باند
الکترونهای دیرَک چه هستند؟
الکترونهای دیرَک کوازیذرههایی در جامدات هستند که از رابطهٔ پراکندگی شبیه نسبیتی پیروی میکنند که با معادلهٔ دیرَک توصیف میشود. برخلاف الکترونهای معمولی که رابطهٔ انرژی–تکانهٔ آنها سهمی است، الکترونهای دیرَک رابطهای خطی بین انرژی و تکانه دارند که منجر به ویژگی‌های انتقالی، نوری و مغناطیسی غیرمعمول میشود.
توضیح پراکندگی خطی باند (LBD)
پراکندگی خطی باند (LBD) مشخصهای در ساختار باند است که در آن نوارهای انرژی الکترونی نزدیک نقطهٔ تلاقی (نقطهٔ دیرَک) با شیب خطی از هم عبور میکنند. LBD باعث تحرک بالای حاملها، کاهش بازپراکندگی پس‌گرد و حساسیت مغناطیسی متمایز میشود. تیم دانشگاه اهیمه نشان داد که LBD منشأ میکروسکوپی یک امضای مغناطیسیِ جهانی است که در بین ترکیبات آلی سنتز شده مشاهده شده است.
آزمایش، مدل‌سازی و کشف کلیدی
این پژوهش ترکیب سنتز شیمیایی کمپلکس‌های آلی انتقال بار با شناسایی طیفسنجی، اندازه‌گیری‌های مغناطتی و محاسبات ساختار باند از اصول اول را شامل می‌شد. به‌طور تجربی، برخی از ترکیبات گذارهای وابسته به دما میان رفتار الکترونهای معمولی و رفتار شبیه دیرَک را نشان دادند؛ در برخی دیگر حاملها خصوصیات میانی یا ترکیبی داشتند. با استفاده از یک مدل نظری اصیل که تیم توسعه داد، پژوهشگران پاسخ مغناطیسی مشاهده‌شده را مستقیماً به پراکندگی خطی باند مرتبط کردند.
یافتهٔ محوری این است که رفتار مغناطیسی — اندازه‌گیری‌شده به‌صورت وابستگی مشخصهٔ دما و میدان در حساسیت مغناطیسی — درونی و جهانی برای مواد کوانتومی‌ای است که ساختار باند آنها شامل LBD است. به عبارت دیگر، این اثرات مغناطیسی تصادفی برای یک ترکیب منفرد نیستند، بلکه از توپولوژی الکترونی مشترکی ناشی میشوند که این کلاس از مواد دارد.
پیامدها برای فناوری و پژوهش‌های آینده
این کشف فهم بنیادی از سامانه‌های کوانتومی را عمیق‌تر میکند و جست‌وجو برای مواد با خواص کوانتومی قابل پیشبینی و قابل تنظیم را محدودتر می‌سازد. مواد دارای LBD و الکترونهای دیرَک نویدبخش فناوریهای نسل بعد اطلاعات و ارتباطات هستند، از جمله الکترونیک فوقسریع، رابطهای با تلف انرژی کم، و اجزایی برای اسپینترونیک و سکوی اطلاعات کوانتومی. ترکیبات آلی مزایایی مانند قابل تنظیم بودن شیمیایی و پتانسیل یکپارچهسازی در دستگاههای انعطافپذیر یا کم‌هزینه دارند که ممکن است در کریستال‌های معدنی وجود نداشته باشد.
«نتایج ما یک پیوند نظری–تجربی روشن میان توپولوژی باند و پاسخ مغناطیسی نشان می‌دهد،» دکتر Keiko Sato، مجری اصلی در دانشگاه اهیمه، گفت. «این کار روند غربال‌گری و طراحی مواد مولکولی با خواص کوانتومی مطلوب را ساده‌تر میکند.»
دیدگاه یک کارشناس
دکتر Maya Patel، فیزیک‌دان مادهٔ چگال در یک آزمایشگاه ملی، اظهار داشت: «یافتن یک امضای مغناطیسی جهانی که با پراکندگی خطی باند مرتبط باشد، گامی مهم است. این معیار قابل اندازه‌گیری و مقاومی را در اختیار دانشمندان مواد قرار می‌دهد تا رفتار شبیه دیرَک را در سیستم‌های آلی شناسایی کنند. این امر مسیر از کشف تا نشان دادن دستگاه را تسریع میکند، به‌ویژه در مواردی که طراحی مولکولی می‌تواند ساختار باند را تنظیم نماید.»
نتیجه‌گیری
مطالعهٔ دانشگاه اهیمه یک رفتار مغناطیسی جهانی را ردیابی میکند که ریشه در پراکندگی خطی باند در میان یک خانوادهٔ جدید از مواد کوانتومی آلی سنتز شده دارد. با پیوند دادن توپولوژی باند به خواص مغناطیسی قابل اندازه‌گیری، این کار هم فهم نظری و هم مسیرهای عملی برای بهره‌برداری از الکترونهای دیرَک در فناوریهای اطلاعات و ارتباطات آینده را جلو می‌برد. سنتزهای مداوم، مطالعات طیفسنجی دقیق و آزمونهای سطح دستگاه برای تبدیل این امضاهای کوانتومی به کاربردهای فناوری لازم خواهد بود.
منبع: sciencedaily
.avif)
نظرات