این تحقیق که نتایج آن در نشریه Physical Review X منتشر شده است، توسط کای سون، استاد فیزیک دانشگاه میشیگان، همراه با کای ژانگ پژوهشگر پسادکتری و چانگ شو دانشجوی دکتری انجام شده است.

به گزارش physics.org، سون درباره این یافته گفت: من به‌طور عمده یک نظریه‌پرداز هستم و با محاسبات تحلیلی روی کاغذ و قلم کار می‌کنم. هدف من کشف اصول بنیادی جدید و پدیده‌هایی است که قبلاً غیرممکن به نظر می‌رسید.

حالت سوم میان موج‌های کوانتومی

در فیزیک کلاسیک موج و ذره ماهیت‌های جداگانه‌ای دارند، اما در قلمرو کوانتومی ذراتی مانند نور و الکترون می‌توانند همزمان رفتار موجی و ذره‌ای از خود نشان دهند. پیش‌تر دانشمندان دو حالت اصلی برای نحوه وجود امواج یا ذرات پرانرژی در مواد شناسایی کرده بودند:

• حالت موضعی (confined) که در آن انرژی در یک نقطه محبوس می‌شود.

• حالت انتشار‌یافته (propagating) که در آن انرژی آزادانه حرکت می‌کند.

با این حال پژوهش‌ها نشان داده بود که حالتی میانی نیز وجود دارد که به‌طور جزئی موضعی است، اما به‌طور کامل محبوس نمی‌شود. این حالت که با افت انرژی به‌صورت قانون توان (power law decay) توصیف می‌شود، پیش‌تر حالتی ناپایدار و دشوار برای ایجاد تصور می‌شد.

کشف جدید: پایداری حالت میانی

سون و همکارانش نشان دادند که این حالت میانی برخلاف تصور رایج می‌تواند به‌طور طبیعی و پایدار در برخی سامانه‌ها شکل بگیرد، بدون آنکه به تنظیمات پیچیده نیاز داشته باشد.

سون توضیح داد: قانون توان افت بسیار آهسته‌تری نسبت به افت نمایی دارد، اما همچنان سریع‌تر از حالتی است که افتی وجود ندارد. نکته هیجان‌انگیز این است که ما خانواده‌ای از سامانه‌ها پیدا کرده‌ایم که در آنها همه حالت‌ها از نوع قانون توان هستند و این ویژگی به‌طور فوق‌العاده‌ای پایدار است.

اهمیت ابعاد و شکل مواد

یکی از نوآوری‌های این پژوهش بررسی مواد در بیش از یک بعد بود. در حالی که اغلب مطالعات قبلی تنها بر مدل‌های یک‌بعدی مانند نوار کشسان متمرکز بودند، محققان در این پژوهش نشان دادند که در دو یا چند بعد، حالت‌های میانی به‌طور طبیعی در نزدیکی مرز‌ها یا سطح مواد ایجاد می‌شوند. همچنین مشخص شد که شکل و نسبت ابعاد ماده (aspect ratio) نقش تعیین‌کننده‌ای در رفتار این حالت‌ها دارد؛ موضوعی که پیش‌تر ناشناخته بود.

گامی به سوی کاربرد‌های فناورانه

این کشف علاوه بر جنبه‌های بنیادی می‌تواند راه را برای کاربرد‌های آینده هموار کند. برای مثال در رایانش کوانتومی می‌توان از حالت‌های موضعی برای انجام محاسبات و همزمان از حالت‌های قانون توان برای انتقال اطلاعات میان کیوبیت‌ها بهره برد.

سون تأکید کرد: این کار مفاهیم تازه‌ای را در حوزه فیزیک بنیادی آشکار می‌کند و همزمان فرصت‌های جدیدی برای کاربرد‌های آینده ایجاد خواهد کرد.