عایق توپولوژیک، ماده‌ای از جهان دیگر
دانش - به تازگی ماده جدیدی توجه فیزیک‌دانان را به خود جلب کرده که
عایق توپولوژیک نام گرفته و ویژگی‌اش ، این است که جریان الکتریکی را فقط در سطح خود عبور می‌دهد. اهمیت این کشف آن‌قدر زیاد است که طی سال‌های آینده، جایزه فیزیک نوبل برای آن اهدا خواهد شد.
محمود حاج‌زمان: بهار گذشته، گردهمایی سالیانه انجمن فیزیک آمریکا در شهر پرتلند ایالت اورگان برگزار شد. هزاران فیزیک‌دان که در این گردهمایی شرکت کرده بودند، مدام از یک جلسه به جلسه
دیگر می‌رفتند تا ببینند که همکارانشان چه چیز جالب و شگفت‌انگیزی در آستین دارند.
به گزارش نیچر، بسیاری از شاخه‌های علم فیزیک مانند اپتیک، فیزیک الکترونیک و فیزیک حالت جامد، ریشه در نظریه‌های مکانیک کوانتوم دارند. این نظریه‌ها که کمابیش در دهه 1930 میلادی تکمیل شده‌اند، قادرند رفتار ماده یا نور را به خوبی توصیف کنند. اما در گردهمایی امسال، همه از یک نوآوری صحبت می‌کردند: گروهی عجیب از مواد که با عنوان عایق‌های توپولوژیک شناخته می‌شوند. برجسته‌ترین خاصیت این مواد این است که آنها جریان الکتریسیته را تنها بر روی سطح خود منتقل می‌کنند. این امر دلیل ریاضی پیچیده‌ای دارد، از این رو فیزیک‌دانانی مانند زاهد حسن از دانشگاه پرینستون می‌کوشند رفتار این مواد را، با مفاهیم ساده‌تر همچون نظریه ابرریسمان! توضیح دهند.
در حال حاضر این مواد کاربردهای گسترده‌ای را، از آزمایش‌های پیشرفته فیزیک ذرات گرفته تا فناوری‌های کاربردی رایانه‌های کوانتومی شامل می‌شوند. با این وجود فیزیک‌دانان هنوز مشغول بررسی فرمول‌بندی‌های مختلف این مواد در آزمایشگاه‌های خود هستند تا توانایی دستیابی این مواد را به پیش‌بینی‌های فراوانی که در خصوص رفتار آنها شده است، دریابند.
عایق توپولوژیک چیست؟
یک
عایق توپولوژیک، ماده‌ای است که به الکترون‌ها اجازه می‌دهد نه از داخل آن، بلکه تنها روی سطح آن حرکت کنند. اگرچه این تعریف خیلی واضح به نظر می‌رسد، اما در حقیقت آن‌قدر هم سر راست نیست. فلزات معمولی الکترون‌ها را در همه جهات منتقل می‌کنند، در حالی‌که
عایق های معمولی به هیچ وجه الکترون‌ها را منتقل نمی‌کنند. یک تکه چوب که با مس روکش شده، الکترون‌ها را تنها در سطح خود منتقل می‌کند، اما این وسیله از دو ماده مختلف، و نه یک ماده واحد ساخته شده است. مفهوم یک
عایق توپولوژیک به قدری عجیب و ناشناخته است که برای مدت‌های طولانی، فیزیک‌دانان باور نداشتند که چنین ماده‌ای بتواند وجود داشته باشد.
اما در سال 2004 که چارلز کین، فیزیک‌دان نظری دانشگاه پنسیلوانیا نتیجه مطالعات خود را بر روی ورقه‌هایی از کربن به نام گرافن منتشر کرد، همه تصورات تغییر کرد. محاسبات کین بیان می‌کرد که حرکت الکترون‌ها در این ماده که تنها به اندازه یک اتم ضخامت دارد، یادآور اثر هال است که نخستین بار در سال 1980 مشاهده شد. اثر هال هنگامی اتفاق می‌افتد که الکترون‌ها در اثر اعمال میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی قوی به مواد خاصی، در لایه‌های نازکی از این مواد محبوس شوند و سپس تا نزدیکی صفر مطلق سرد شوند. در چنین دمایی، رفتارهای تصادفی الکترون‌ها به یک رفتار دسته‌جمعی منظم‌تر تبدیل می‌شود که تابع قوانین مکانیک کوانتوم است.
آنچه کین و گروهش در محاسبات مربوط به گرافن مشاهده کردند، دقیقا مشابه اثر هال نبود. با این وجود، بررسی‌های بیشتر نشان داد که این ماده ممکن است نوع دیگری از مواد لایه نازک با رفتار مشابه باشد. با این تفاوت که این دفعه برای حرکت هماهنگ الکترون‌ها، نیازی به استفاده از میدان‌های عظیم مغناطیسی یا دماهای فوق سرد نیست.
نتیجه کار کین و همکارانش به سرعت مورد توجه قرار گرفت. جوئل مور، نظریه‌پرداز دانشگاه برکلی کالیفرنیا از محاسبات کین استفاده کرد تا نشان دهد که تکه‌های سه بعدی مواد نیز می‌توانند اثرات کوانتومی از خود نشان دهند. البته در این حالت حرکت الکترون‌ها در سطح ماده، نسبت به ورقه نازک و مسطح استفاده شده توسط کین پیچیده‌تر است. مور همچنین به این مواد یک نام جدید داد. کین این مواد را برای نشان دادن مشخصات مکانیک کوانتومی که باعث بروز این پدیده می‌شد، «ثوابت توپولوژیک Z2 جدید» نامید، اما مور نام
عایق های توپولوژیک را برای آنها برگزید. وی در این خصوص می‌گوید: «ما از اینکه هر بار مجبور بودیم چنین نام طولانی را تایپ کنیم، کلافه شده بودیم. بنابراین این نام را انتخاب کردیم. من نمی‌دانم که این عبارت به اندازه کافی گویا است یا خیر، اما حداقل کوتاه است!»
مواد توپولوژیک
در همین حال، شواچنگ ژانگ و همکارانش در داشنگاه استنفورد، مشغول تحقیق در این خصوص بودند که چه موادی می‌توانند یک
عایق توپولوژیک باشند. آنها دریافتند که در بسیاری از مواد، ارتباط بین الکترون‌ها و هسته برای ایجاد چنین رفتاری بسیار ضعیف است. اما با سنگین‌تر شدن هسته، این ارتباط نیز قوی‌تر می‌شود. در سال 2006 ژانگ پیش‌بینی کرد که بلور ساخته شده از عناصر سنگین جیوه و تلوریم، قادر است رفتار یک
عایق توپولوژیک را از خود نشان دهد. در همان سال، لاورنس مولنکمپ، فیزیک‌دان دانشگاه ورزبورگ آلمان و گروهش توانستند با گسترش یک لایه نازک از بلور تلورید جیوه، درستی پیش‌بینی ژانگ را نشان دهند.
اما تلورید جیوه ماده مناسبی برای عایق‌های توپولوزیک نیست، زیرا ساخت بلورهای تلورید جیوه بسیار دشوار است. همچنین این مواد یک
عایق توپولوژیک کامل محسوب نمی‌شوند، زیرا مقدار کمی الکتریسته را نیز از درون خود عبور می‌دهند. عایق‌های توپولوژیک جدید بر پایه بیسموت ساخته می‌شوند. این مواد ارزان هستند و ساخت آنها راحت است، و باعث شکوفایی مبحث عایق‌های توپولوژیک شدند. زاهد حسن در این باره می‌گوید: «در گردهمایی اخیر، تمام بحث و جدل‌ها بر اساس ترکیبات ساخته شده بر پایه بیسموت بود. هر شخصی می‌تواند این مواد را بسازد و شما برای مشاهده اثرات توپولوژیک، نیازی به یک بلور با خلوص زیاد ندارید.»
اثرات مورد اشاره حسن فراتر از حرکت الکترون‌ها تنها بر روی سطح مواد است. برای مثال، تمام الکترون‌ها اسپین کوانتومی یکسانی دارند. در نتیجه عایق‌های الکترونیک مواد مناسبی برای ساخت مدارهای الکترونیک اسپینی هستند. این مدارها از جهت‌گیری اسپین الکترون‌ها برای رمزگذاری اطلاعات استفاده می‌کنند و می‌توانند آغازگر راهی نو در فناوری رایانه باشند.
تقلید ریاضی
محققان اعتقاد دارند که حرکت دسته‌جمعی الکترون‌ها درون عایق‌های توپولوژیک، تقلیدی از رفتار ذراتی است که توسط فیزیک‌دانان انرژی بالا پیش‌بینی شده‌اند. از جمله این ذرات می‌توان آکسیون (Axions) و تک‌قطبی مغناطیسی را نام برد. این تقلید چندان چیز عجیبی نیست. به گفته فرانک ویلچک، فیزیک‌دان ام.آی.تی و از برندگان جایزه نوبل، رفتار دسته‌جمعی الکترون‌ها تنها با استفاده از یک سری از معادلات ساده قابل توصیف است. وی می‌گوید: «تنها تعداد اندکی از این معادلات واقعا ساده وجود دارند که شما می‌توانید آنها را بنویسید. بنابراین نظریه
عایق توپولوژیک و نظریه‌های فیزیک‌ذانان ذرات، نهایتا به یک چیز منتهی می‌شوند.»
ارزش محاسبات، آزمایش‌ها و کاربردهای عایق‌های توپولوژیک به همراه در دسترس بودن آنها، این شاخه از فیزیک را به موضوع مورد علاقه فیزیک‌دانان تبدیل کرده است. تاکنون کشف دو گونه مختلف اثر هال، جایزه نوبل را برای کاشفان آنها به ارمغان آورده است. به همین دلیل، بسیاری از فیزیک‌دانان معتقدند که یک جایزه نوبل نیز در انتظار شخصی است که بتواند بیشترین سهم را در گسترش و رشد این مبحث داشته باشد. اگرچه کین می‌گوید که در حال حاضر به چنین چیزی فکر نمی‌کند، اما رقابت موجود وی را وادار می‌کند که قبول کند دیگران از کارهای وی اطلاع دارند.
نتایج مطالعات آینده است که مشخص می‌کند آیا عایق‌های توپولوژیک ارزش این همه توجه را داشته‌اند یا خیر. با این وجود مور می‌گوید که یک جاذبه انکارناپذیر در خصوص بررسی این مطلب وجود دارد، که چطور رفتار دسته‌جمعی الکترون‌ها منجر به چنین رفتار عجیب و غریبی می‌شود. باید منتظر نشست تا معلوم شود که کشف این مواد نهایتا چه تاثیری بر زندگی بشر خواهند داشت.