فیزیکدانان MIT مشاهده کردند که الکترون‌ها در یک ماده کوانتومی مانند یخ بازسازی می‌شوند

وقتی اکثر مردم الکترون‌ها را تصور می‌کنند، گمان می‌کنند که آنها کره‌های کوچک و مستقلی هستند که به دور هسته می‌چرخند یا مانند مایع در یک سیم مسی جریان دارند. در واقع، هنگامی که الکترون‌ها در مواد خاصی تا دماهای بسیار پایین سرد می‌شوند، از عمل مستقل دست می‌کشند و به طور جمعی در الگوهای سخت و تکراری سازماندهی می‌شوند. این «امواج چگالی بار» (CDW) یک فاز بنیادی از ماده کوانتومی هستند، اما اینکه چگونه چندین موج می‌توانند بدون از بین بردن یکدیگر در یک ماده همزیستی داشته باشند، همچنان یک راز باقی مانده است.[3]

اکنون، فیزیکدانان مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) به طور مستقیم مشاهده کرده‌اند که چگونه دو فاز الکترونیکی رقیب در داخل یک ماده کوانتومی خاکی کمیاب به نام اربیوم تری‌تلورید (erbium tritelluride) ظاهر شده و خود را بازسازی می‌کنند. یافته‌های آنها که در مجله Nature Physics منتشر شده است، نشان می‌دهد که این دو فاز از طریق مکانیسم‌های به طرز شگفت‌آوری متفاوتی شکل می‌گیرند—یکی به آرامی و دیگری در حباب‌های در حال گسترشی که شباهت زیادی به نحوه رشد بلورهای یخ در آب مایع دارند.[1][2]

اربیوم تری‌تلورید ماده‌ای منحصر به فرد است که میزبان دو فاز متمایز CDW است. آزمایش‌های قبلی نشان دادند که وقتی ماده تا دمای ۸- درجه سانتی‌گراد سرد می‌شود، موج اول شکل می‌گیرد و در یک جهت در سراسر ماده کشیده می‌شود. سرد کردن بیشتر آن تا ۱۱۳- درجه سانتی‌گراد، موج دوم و «فرعی» را عمود بر موج اول ایجاد می‌کند و یک صفحه شطرنجی میکروسکوپی از فازهای الکترونیکی همزیست به وجود می‌آورد.[1]

برای درک چگونگی تعامل این فازها، تیم MIT نمونه‌های اتمی نازک از این ماده را تا حدود ۲۳۰- درجه سانتی‌گراد سرد کردند. در این دما، هر دو موج چگالی بار به طور کامل تثبیت شده‌اند. سپس محققان از یک تکنیک لیزری «پمپ-پروب» استفاده کردند: یک پالس لیزری اولیه قدرتمند به عنوان چکش عمل کرد تا صفحه شطرنجی الکترونیکی را درهم بشکند، در حالی که یک پالس دوم که با دقت زمان‌بندی شده بود، نحوه بازسازی الکترون‌ها را در پی آن اندازه‌گیری کرد.[1][2]

داده‌ها یک واگرایی چشمگیر در رفتار بازیابی نشان دادند. موج چگالی بار غالب به تدریج و به طور یکنواخت در سراسر ماده بازگشت. این بازیابی آرام یک «گذار فاز مرتبه دوم» کلاسیک است که بسیار شبیه به آهنربایی عمل می‌کند که با سرد شدن به آرامی خاصیت مغناطیسی خود را دوباره به دست می‌آورد.[1][2]

با این حال، فاز فرعی کاملاً متفاوت رفتار کرد. به جای ظاهر شدن مجدد به صورت آرام، الکترون‌ها در حباب‌های پراکنده و جداگانه هسته‌گذاری کردند. سپس این مناطق موضعی نظم، به سمت بیرون در سراسر ماده گسترش یافتند و دقیقاً «گذار مرتبه اول» تبلور آب به یخ را تقلید کردند. این مشاهده مستقیم، اولین شواهد تجربی را برای مکانیسمی که مدت‌ها مورد بحث بود، در مورد نحوه شکل‌گیری فازهای کوانتومی فرعی ارائه می‌دهد.[1][2]

پیامدهای این کشف بسیار فراتر از اربیوم تری‌تلورید است. در سیستم‌های بسیار پیچیده مانند ابررساناهای دمای بالا، چندین فاز کوانتومی—از جمله مغناطیس، ابررسانایی و امواج چگالی بار—به طور همزمان وجود دارند. فیزیکدانان گمان می‌کنند که تعامل و رقابت ظریف بین این فازها مسئول خواص عجیب و غریب و مقاومت صفر این مواد است. آزمایش MIT با اثبات اینکه حالت‌های رقیب می‌توانند از طریق مسیرهای ترمودینامیکی اساساً متفاوت ایجاد شوند، چارچوب جدیدی برای درک و در نهایت کنترل این تعاملات ارائه می‌دهد.[1][3]

در حالی که تکنیک لیزر با موفقیت دینامیک بازیابی را نقشه‌برداری کرد، محرک‌های دقیق در مقیاس اتمی که تعیین می‌کنند حباب‌های «یخ» فرعی کجا هسته‌گذاری می‌کنند، ناشناخته باقی مانده‌اند. محققان اکنون در حال بررسی این موضوع هستند که آیا ناخالصی‌های میکروسکوپی در ماده به عنوان بذر برای تبلور عمل می‌کنند یا اینکه هسته‌گذاری یک نوسان کوانتومی کاملاً خودبه‌خودی است.[2][3]