فيزيكدانان در آخرين نشست انجمن فيزيك آمريكا، عايق‌هاي توپولوژي را معرفي كرده‌اند كه با استفاده از آنها مي‌توان ذراتي را كه فيزيكدانان تاكنون نتوانسته‌اند پيدا كنند، مورد مطالعه قرار داد.
مجيد جويا: پژوهش‌گران، ماده جديدي را
كشف كرده‌اند كه با استفاده از آنها مي‌توان ذرات شگفت‌انگيز و غريبي را كه علي‌رغم پيش‌بيني‌ها تاكنون ديده نشد‌اند، شبيه‌سازي كرد.
هفته آخر اسفندماه گذشته و در آستانه گردهمايي انجمن فيزيك امريكا، نتايج اوليه‌اي منتشر شد كه ادعا مي‌كند قطعه به اندازه كافي بزرگي از يك «عايق توپولوژي» ساخته شده تا برخي از پيش‌بيني‌هاي غريب نظريه ميدان كوانتومي را آزمايش كند. نظريه ميدان، بخشي از مكانيك كوانتومي است كه معمولا در فيزيك ذرات استفاده مي‌شود و وجود ذراتي غير معمول را پيش‌بيني مي‌كند كه اگر در مواد بازتوليد شود، مي‌تواند مفيد بودن خود را براي كاربري‌هاي آتي مانند رايانه‌هاي رمزشكن يا اسپين‌ترونيك (مدارهاي الكترونيكي كه به اسپين ذرات و بار آنها وابسته است) به اثبات برساند.
به گزارش نيچر، اكنون لاورنس مولنكامپ؛ فيزيك‌دان دانشگاه ورزبورگ در آلمان؛ بر اين باور است كه توانسته يك عايق توپولوژي را از جنس تلوريد جيوه (HgTe) و آن‌قدر ضخيم بسازد كه بتوان اين نظريه را با آن آزمود.
عايق‌هاي توپولوژي موادي هستند كه در خارج الكترون‌ها را هدايت مي‌كنند، ولي در داخل مانند عايق عمل مي‌كنند. منشا اين خاصيت عجيب نحوه حركت الكترون‌ها در ماده است. الكترون‌ها يك «اسپين» كوانتومي حمل مي‌كنند كه به سمت «بالا» و يا «پايين» است. اسپين در حالت عادي مستقل از حركت الكترون است، ولي در داخل عايق توپولوژي، اسپين الكترون‌ها وابستگي زيادي به نحوه حركت آنها دارد.
«چند جهان» روي يك چيپ
به گفته شوچنگ ژانگ، فيزيك‌دان نظري دانشگاه استنفورد كاليفرنيا، ارتباط بين اسپين وحركت، اين عايق‌ها را به واسطه‌اي خوب براي مدل كردن برخي از فرمولاسيون‌هاي نظريه ميدان كوانتومي تبديل كرده است.
نظريه ميدان كوانتومي در تشريح پديده‌هاي
جهان بسيار موفق است، ولي مشخص شده كه اثبات برخي از پيش‌بيني‌هاي آن خيلي سخت است. برخي از فرمولاسيون‌ها ادعا مي‌كنند كه آكسيون‌ها وجود دارند. آكسيون‌ها، ذراتي با برهمكنش ضعيف هستند كه احتمالا نشانگر «ماده تاريك» هستند، موادي كه علي‌رغم اثرات گرانشي آنها تاكنون مشاهده نشده‌اند و تخمين زده مي‌شود كه يك‌چهارم جرم دنيا را تشكيل مي‌دهند. اين نظريه همچنين وجود تك‌قطبي‌هاي مغناطيسي را امكان‌پذير مي‌سازد، ذراتي با ويژگي مغناطيسي كه برخلاف دوقطبي‌هاي معمول، فقط يكي از قطب‌هاي شمال يا جنوب مغناطيسي را دارند و البته تاكنون در طبيعت ديده نشده‌اند.
علي يزداني، فيزيك‌دان دانشگاه پرينستون مي‌گويد: «ما در يك نوع از دنيا زندگي مي‌كنيم، ولي در داخل اين جامدات مي‌توانيد دنياهايي غير عادي را مشاهده كنيد. اين خيلي جالب است. ما در يك نوع دنيا زندگي مي‌كنيم، ولي در داخل اين جامدات شما مي‌توانيد اين دنياهاي غير عادي را خلق كنيد».
اين ذرات شبيه چيزي نخواهند بود كه توسط نظريه ميدان كوانتومي پيشنهاد شده؛ براي مثال، نتايج يكي از تحقيقات ژانگ و همكارانش نشان مي‌دهد كه آكسيون‌ها را مي‌توان به عنوان نوسان‌هاي مغناطيسي در داخل يك عايق توپولوژي در نظر گرفت. ولي اين مقايسه مي‌تواند دانشمندان را به سويي هدايت كند كه به دنبال معادل‌هاي واقعي اين ذرات در
جهان بگردند. تاباندن نور قطبيده شده از ميان عايق مي‌تواند علايم نشان دهنده آكسيون‌ها را آشكار كند. اگر آكسيون‌ها واقعا وجود داشته باشند، در آن صورت نشانگر مشابهي بايد در تابش ريزموج زمينه كيهاني (اولين پرتويي كه بعد از مهبانگ در
جهان منتشر شد و از آن زمان تاكنون در عالم باقي مانده است) آشكار شود.
برخي از اين ذرات غريب پيشنهادي مي‌توانند استفاده‌هاي عملي هم داشته باشند. پيش‌بيني مي‌شود يك گروه از ذرات پايدار به‌نام فرميون‌هاي ماجورانا را بتوان در كامپيوترهاي كوانتومي استفاده كرد تا اطلاعات را ذخيره كنند.
تلوريد جيوه استفاده شده توسط مولنكامپ، يك عايق توپولوژي شناخته شده است، ولي رفتار عايقي توپولوژي تاكنون تنها در لبه‌هاي نقره‌اي بسيار باريك اين ماده ديده شده است. در نتايج اوليه‌اي كه در جريان گردهمايي ارائه شد، مولنكامپ شواهدي را ارائه كرد كه الكترون‌ها در سطح نمونه 3بعدي به گونه‌اي رفتار مي‌كردند كه انگار در يك عايق توپولوژي قرار دارند. او مي‌گويد: «اگر اين كار كند، ما مي‌توانيم به طور آزمايشگاهي نظريه ميدان كوانتومي را آزمايش كنيم».