حالتهای ماده

محققان ناسا حالت جدیدی از ماده را كشف كردند كه حالت چگالیده فرمیونی نام دارد. طی مدت زمان طولانی ماده را به سه حالت می شناختند كه عبارت بودند از جامد، مایع و گاز. اما امروز می دانیم كه این سه حالت تنها نیمی از حالت های شناخته شده هستند و حداقل شش حالت برای ماده وجود دارد. این شش حالت عبارتند از جامد، مایع، گاز، پلاسما، حالت چگالیده، بوز _ اینشتین و حالت چگالیده فرمیونی. دكتر جین دبورا (Jin Deborah) سرپرست گروه دانشمندانی كه چگالش فرمیونی را كشف كردند، درباره یافته های جدید می گوید: دسامبر سال گذشته، زمانی كه حالت جدید را كشف كردیم برای ما اوقات هیجان انگیزی بود گروه ما هم به خاطر هیجان ناشی از پیشرفت های چشمگیر و هم به خاطر رقابت فشرده برای كشف حالت جدید، بسیار سخت كار می كرد تا اینكه نتیجه دلخواه به دست آمد.اگر از دانش آموزان دوره دبیرستان خواص معمولی مواد را بپرسید، در پاسخ می گویند جامد ها شكل ثابتی دارند و از نظر فیزیكی سخت هستند اما قابلیت خرد شدن را هم دارند. مایعات به آسانی جریان می یابند اما متراكم كردن آنها بسیار سخت است ودر هر ظرفی قرار بگیرند شكل آن ظرف را به خود می گیرند. گاز ها كمترین چگالی را در مقایسه با سایر حالات دارند و به آسانی متراكم می شوند. گاز ها نه تنها در هر ظرفی قرار بگیرند شكل ظرفی را به خود می گیرند، بلكه در تمام حجم ظرف پراكنده می شوند و تمام فضای ظرف را اشغال می كنند. چهارمین شكل ماده پلاسماست. این حالت تقریباً گاز مانند است اما اتم های سازنده پلاسما به الكترون ها و یون ها شكافته شده اند. خورشید نمونه ای از حالت پلاسما است. در واقع بیشتر ماده جهان به شكل پلاسما است. پلاسما ها معمولاً بسیار داغ هستند از این رو نمی توان پلاسما را تولید و در ظرف های معمولی نگهداری كرد. پلاسما را با استفاده از میدان مغناطیسی می توان در یك محدوده از فضا حبس كرد.پنجمین شكل ماده، حالت چگالیده بوز _ اینشتین است كه در سال ۱۹۹۵ كشف شد. این حالت از ماده زمانی پدید آمد كه دانشمندان موفق شدند بوز ون ها را تا دمایی بسیار پایین سرد كنند. در دماهای بسیار پایین، بوزون ها به صورت سوپر ذرات منفردی درمی آیند كه بیشتر از آنكه ذره مادی باشند موج مانند به نظر می رسند. این حالت از ماده بسیار شكننده است و نور به آهستگی از میان آن عبور می كند. پس از چند سال از كشف حالت چگالیده بوز _ اینشتین، اینك حالت چگالیده فرمیونی هم به حالت های قبلی اضافه شده است. این شكل از ماده چنان بدیع است كه هنوز اغلب خواص آن ناشناخته است. اما آنچه كه مسلم است این حالت هم در دمای بسیار پایین قابل دسترسی است. دكتر جین و همكارانش برای دستیابی به این حالت جدید، تعداد ۵۰۰ هزار اتم پتاسیم با عدد جرمی ۴۰ را تا دمایی كمتر از یك میلیونیوم كلوین سرد كردند. این دما بسیار نزدیك به صفر مطلق است. در این حالت اتم های پتاسیم بدون آنكه چسبندگی میان آنها وجود داشته باشد، به صورت مایع جریان یافتند. پایین تر ازاین دما چه اتفاقی می افتد؟ جواب این سئوال را كسی نمی داند. دانشمندان در حال حاضر برای یافتن پاسخ این سئوال به تحقیق مشغول هستند. حالت چگالیده فرمیونی تا حدی شبیه چگالش بوز - اینشتین است.هر دو حالت از اتم هایی تشكیل شده اند كه این اتم ها در دمای پایین به هم می پیوندند و جسم واحدی را تشكیل می دهند. در چگالش بوز - اینشتین اتم ها از نوع بوزون هستند در حالی كه در چگالش فرمیونی اتم ها فرمیون هستند. تفاوت میان بوزون ها و فرمیون ها چیست؟رفتار بوزون ها به گونه ای است كه تمایل دارند با هم پیوند برقرار كنند و به هم متصل شوند. یك اتم در صورتی كه حاصل جمع تعداد الكترون، پروتون و نوترون هایش زوج باشد. بوزون است به عنوان مثال اتم های سدیم بوزون هستند زیرا اتم های سدیم در حالت عادی یازده الكترون، یازده پروتون و دوازه نوترون دارند كه حاصل جمع آنها عدد زوج ۳۴ می شود. بنابراین اتم های سدیم این قابلیت را دارند كه در دماهای پایین به هم متصل شوند و حالت چگالیده بوز - اینشتین را پدید آورند اما از طرف دیگر فرمیون ها منزوی هستند. این ذرات طبق اصل طرد پائولی هنگامی كه در یك حالت كوانتومی قرار می گیرند همدیگر را دفع می كنند و اگر ذره ای در یك حالت كوانتومی خاص قرار گیرد مانع از آن می شود كه ذره دیگری هم بتواند به آن حالت دسترسی یابد.هر اتم كه حاصل جمع تعداد الكترون، پروتون و نوترون هایش فرد باشد، فرمیون است. به عنوان مثال، اتم های پتاسیم با عدد جرمی ۴۰ فرمیون هستند زیرا دارای ۱۹ الكترون، ۱۹ پروتون و ۲۱ نوترون هستند و حاصل جمع این سه عدد برابر ۵۹ می شود. دكتر جین و همكارانش بر پایه همین خاصیت انزوا طلبی فرمیون ها روشی را پیش گرفتند و از میدان های مغناطیسی كنترل شونده ای برای انجام آزمایش ها استفاده كردند.میدان مغناطیسی باعث می شود كه اتم های منفرد با هم جفت شوند و میزان جفت شدگی اتم ها در این حالت با تغییر میدان مغناطیسی قابل كنترل است. انتظار می رفت كه اتم های جفت شده پتاسیم خواص همانند بوزون ها داشته باشند اما آزمایش ها نشان دادند كه در بعضی از اتم ها كه میزان جفت شدگی ضعیف بود هنوز بعضی از خواص فرمیونی خود را از دست نداده بودند.در این حالت یك جفت از اتم های جفت شده می تواند به جفت دیگری متصل شود و این جفت شدگی به همین ترتیب ادامه یابد تا اینكه سرانجام باعث تشكیل حالت چگالیده فرمیونی شود.دكتر جین شك داشت كه جفت شدگی اتم های مشاهده شده همانند جفت شدگی اتم های هلیوم مایع باشد كه به آن ابرشارگی می گویند. ابر شاره ها نیز بدون آنكه خاصیت چسبندگی میان آنها باشد به راحتی جریان می یابند. وضعیت مشابه دیگر، حالت ابررسانایی است. در یك ابر رسان الكترون های جفت شده (الكترون ها فرمیون هستند) بدون آ نكه با مقاومت الكتریكی مواجه شوند به راحتی جریان می یابند. علاقه وافری به ابررسانا ها وجود دارد زیرا از آنها برای تولید الكتریسیته پاك و ارزان می توان استفاده كرد. در صورتی كه استفاده از ابر رساناها در تكنولوژی میسر شود، قطار های برقی سریع السیر و كامپیوتر های فوق سریع با قیمتی پایین روانه بازار خواهد شد. اما متاسفانه استفاده از ابر رساناها حتی تحقیق درباره آنها دشوار است.بزرگ ترین مشكل این است كه حداقل دمایی كه لازم است تا یك ابررسانا ایجاد شود. ۱۳۵ _ درجه سلسیوسی است. بنابراین نیتروژن مایع یا دستگاه سرد كننده دیگری لازم است تا سیم های رابط و هر وسیله جانبی دیگری كه الكترون های جفت شده در آن محیط قرار می گیرند را سرد نگه دارد.این فرآیند هزینه زیادی می خواهد و به دستگاه های پرحجمی نیاز دارد. اما اگر ابر رسانایی بر دمای اتاق برقرار شود، كار كردن با آن فوق العاده راحت می شود و استفاده از آن به خاطر مزیت های یاد شده سریعاً افزایش می یابد. دكتر جین می گوید، كنترل میزان جفت شدگی اتم ها با استفاده از تغییر میدان مغناطیسی، همانند تغییر دما برای یك ابررساناست. این روند ما را امیدوار می كند كه بتوانیم آموخته های خود از چگالش فرمیونی را به دیگر زمینه ها از جمله ابررسانایی در دمای اتاق تسری دهیم.ناسا كاربرد های زیادی را برای ابررسانه ها در نظر گرفته است. به عنوان مثال استفاده از ابر رساناها باعث خواهد شد كه مدار ماهواره های چرخنده به دور زمین با دقت بسیار بالایی كنترل شوند. خاصیت اصلی ابررسانا ها به دلیل نداشتن مقاومت الكتریكی امكان انتقال جریان الكتریكی بزرگی در حجم كوچكی از ابررسانا است. به همین خاطر اگر به جای سیم های مسی از ابررساناها استفاده شود، موتور های فضاپیما ها تا ۶ برابر نسبت به موتور های فعلی كوچك تر و سبك تر خواهند شد و باعث می شود كه وزن و هزینه ارسال فضاپیما بسیار كاهش یابد.از دیگر زمینه هایی كه ابررساناها می توانند نقشی اساسی در آنها بازی می كنند می توان كاوش های بعدی انسان از فضا را نام برد. ابررسانا ها بهترین گزینه برای تولید و انتقال بسیار كارآمد انرژی الكتریكی هستند و طی شب های طولانی ماه كه دما تا C ۱۷۳ _ درجه سانتی گراد پایین می آید و طی ماه های ژانویه تا مارس دستگاه های MRI ساخته شده از سیم های ابررسانا، ابزار تشخیصی دقیق و توانمندی در خدمت سلامت خدمه فضاپیما ها خواهد بود.

منبع: اخبار فیزیک