کشف الکترون‌های تاریک در مواد جامد برای اولین بار در پیشرفت ابررسانا
تا کنون دانشمندان معتقد بودند که الکترون‌های تاریک، الکترون‌هایی که با حالت کوانتومی ماده مرتبط هستند، در مواد جامد وجود ندارند.
با این حال، مطالعه‌ای جدید از محققان دانشگاه یونس‌دی کره جنوبی نشان می‌دهد که مواد جامد حاوی الکترون‌های تاریک هستند. آنان همچنین آزمایشی انجام دادند که شواهدی ارائه می‌دهد که وجود این الکترون‌ها را نشان می‌دهد.
بر اساس گفته‌های محققان، یافته‌های حاصل از مطالعه آنان می‌تواند توضیح دهد که چرا برخی مواد تحت شرایط خاص خواص مشابه ابررسانا از خود نشان می‌دهند. این همچنین به دانشمندان اجازه خواهد داد تا مواد ابررسانای جدیدی را توسعه دهند.
راز الکترون‌های تاریک
دانشمندان قادر هستند الکترون‌های عادی را با استفاده از تکنیک‌های مختلف طیف‌سنجی شناسایی کنند زیرا آنها می‌توانند انرژی فوتون را جذب کنند، که به اتم‌ها و مولکول‌ها اجازه جذب نور را می‌دهد.
الکترون‌های تاریک، از سوی دیگر، ذرات بنیادی هستند که ماده تاریک را تشکیل می‌دهند. آنها با فوتون‌ها و هیچ نیروی الکترومغناطیس دیگری تعامل نمی‌کنند و به همین دلیل دانشمندان نمی‌توانند حضور آنها را با روش‌های طیف‌سنجی تشخیص دهند.
از آنجا که الکترون‌های تاریک با ذرات نوری تعامل نمی‌کنند، ماده تاریک که حدود ۲۷ درصد از جهان را تشکیل می‌دهد، نیز قادر به جذب نور نیست و در نتیجه نامرئی باقی می‌ماند.
در حالی که برخی دانشمندان الکترون‌های تاریک را ذرات فرضی می‌دانند، بسیاری دیگر باور دارند که مواد اطراف ما نیز حاوی الکترون‌هایی در حالت تاریک هستند که از دید ما پنهان هستند. برای اولین بار، دانشمندان شواهد محکمی را ارائه می‌دهند که این ادعا را تایید می‌کند.
یافتن الکترون‌های پنهان
بسیاری از مطالعات قبلی که به دنبال یافتن الکترون‌های تاریک بودند از موادی مانند گرافن استفاده کردند که تنها یک جفت زیرشبکه داشتند، ترتیب تکراری خاصی از مجموعه‌ای از اتم‌ها در ساختار کریستالی بزرگتر یک ماده.
با این حال، محققان برای مطالعه خود مواد با دو جفت زیرشبکه انتخاب کردند. این به این دلیل است که آنها می‌توانستند تعداد کل الکترون‌ها (شامل عادی و تاریک) در زیرشبکه‌های چنین موادی را به‌دست آورند.
ما سه ماده، پالادیم دی‌سلنیدها (PdSe2)، ابررساناهای کیوپراتی (Bi2Sr2CaCu2O8+δ یا Bi-2212) و پراوسکایت‌های هالید سربی (CsPbBr3) را مطالعه کردیم، کن سو کیم، یکی از نویسندگان مطالعه و استاد فیزیک در دانشگاه یونس‌دی گفت.
نویسندگان مطالعه می‌دانستند که مواد با دو جفت زیرشبکه در حالت کوانتومی خود چهار نوع الکترون دارند. با این حال، زمانی که آنها از طیف‌سنجی فتوالکترون با وضوح زاویه‌ای (ARPES) استفاده کردند، که تکنیکی برای مطالعه الکترون‌ها در مواد جامد است، نتیجه متفاوتی گرفتند.
ARPES شامل برخورد فوتون‌ها به سطح یک ماده و باعث انتشار الکترون‌ها (اثر فتوالکتریک) می‌شود. این نشان داد که تنها یک نوع الکترون وجود دارد. این به این معنی بود که سه نوع دیگر الکترون‌ها با فوتون‌ها تعامل نمی‌کردند، که نشان می‌داد آنها در حالت تاریک هستند.
ما می‌توانستیم سیگنال‌های تجربی فقط برای الکترون‌هایی که انتظار می‌رفت قابل تشخیص باشند (حالت‌های روشن) ببینیم و نتوانستیم هیچ سیگنال تجربی برای الکترون‌هایی که انتظار می‌رفت غیرقابل تشخیص باشند (حالت‌های تاریک) ببینیم، کیم گفت.
اگرچه تحقیقات بیشتری برای تایید این یافته‌ها مورد نیاز است، این آزمایش اهمیت زیرشبکه‌ها را در مطالعه الکترون‌های تاریک برجسته می‌کند.
نتایج ما نشان می‌دهد که درجه آزادی زیرشبکه، که تاکنون نادیده گرفته شده بود، باید در مطالعه پدیده‌های مرتبط با الکترون‌های تاریک و ویژگی‌های اپتوالکترونیکی در نظر گرفته شود، نویسندگان مطالعه افزودند.
مطالعه در مجله Nature Physics منتشر شده است.
