فیزیک‌دانان ارتباطی شگفت‌انگیز میانِ شبهِ‌بلورها و نارسانا‌های توپولوژیکی در آزمایش‌گاه یافته‌اند. این گروه چگونگیِ انتشارِ نور از میانِ یک شبهِ‌بلورِ یک‌بعدی را بررسی کرده و دریافتند که میانِ این پدیده و چگونگیِ رسانشِ الکترون‌ها در یک نارسانای توپولوژیکیِ دوبعدی، همانندی به چشم می‌خورد. این نتیجه‌ی شگفت، به‌کارگیریِ شبهِ‌بلورها در ساختِ سامانه‌هایی با بیش از سه‌بعد را پیشنهاد می‌کند. از چنین سامانه‌هایی هم در مطالعه‌ی فیزیکِ بنیادی و هم در ساختِ موادی با ویژگی‌های نوین و سودمند می‌توان بهره گرفت.

هنگامی که ساختاری یک‌بعدی، دوبعدی به نظر می‌رسد

این گروه با به‌کارگیریِ آرایه‌های دوبعدی از موج‌بَرهای موازی، آزمایش‌هایی انجام دادند. فاصله‌ی میانِ موج‌برها چنان تنظیم شده بود که نوری که در طولِ یکی از موج‌برها انتشار می‌یافت می‌توانست به موج‌برِ همسایه نشت کرده و سپس به موج‌برِ بعدی برود و به همین ترتیب (شکل را ببینید). اگر حرکتِ نور را در راستای عمود بر موج‌برها در نظر بگیریم، می‌بینیم که این پدیده همانندِ حرکتِ یک الکترون در میانِ یک شبکه‌ی (بلوریِ) یک‌بعدی‌ست که فاصله‌های درونِ این شبکه برابر با فاصله‌ی میانِ موج‌برهاست. این واقعیت که نور از یک موج‌بر به موج‌بر بعدی «لِی‌لِی می‌کند»، (رفتارِ) این سامانه را به مدلِ رسانشِ الکترون‌ها همانند می‌سازد.

چسبیدن به لبه

این گروه در یکی از این آزمایش‌ها سامانه‌ای ساختند که در آن، ویژگی‌های اپتیکیِ موج‌برها –و فاصله‌ی میانِ آن‌ها- یکسان نبود، بلکه این سامانه درواقع شبهِ‌بلوری‌ست که با مدلِ Aubry–André (به اختصار AA) توصیف می‌شود. هرگاه یک تپِ نوری به سوی یکی از موج‌برها (قرارگرفته) در مرکزِ این شبهِ‌بلور شلیک می‌شود، به طرفِ موج‌برهای همسایه پراکنده می‌شود چنان‌که گویی در این راستا انتشار می‌یابد. اما اگر تپِ نوری به سوی موج‌بری شلیک شود که در لبه‌ی سمتِ چپِ این شبهِ‌بلور قرار گرفته است، کلِ نورِ فرودی در همان کانال باقی می‌ماند. اعضای این گروه می‌گویند «این رفتار نشانه‌ای روشن از وجودِ یک حالتِ مقیدِ جای‌گزیده است».

در آزمایشِ بعدی، این گروه روی اثری تمرکز کردند که «دمشِ آدیاباتیک (adiabatic pumping)» خوانده می‌شود و در آن (پرتوی) نور از یکی از لبه‌های ابزار به لبه‌ی دیگر منتقل می‌شود. این اثری توپولوژیکی‌ست و در موادی دیده شده که از خود اثرِ IQHE را نشان می‌دهند. برای دیدنِ این دمش، این گروه شبهِ‌بلور دیگری را بر اساسِ نسخه‌ای متفاوت از مدلِ AA ساختند. هنگامی که یک تپِ نوری به موج‌بری واقع در لبه‌ی این ابزار وارد می‌شود، کلِ نورِ فرودی عرضِ شبهِ‌بلور را پیموده و به موج‌بری واقع در لبه‌ی روبه‌رویی می‌رسد (شکل را ببینید). به این ترتیب باز هم چنین به نظر می‌رسد که یک شبهِ‌بلورِ یک‌بعدی مانند سامانه‌ای با توپولوژیِ دوبعدی رفتار می‌کند.

اعضای این گروه این رفتارِ شگفت را با اشاره به این موضوع توضیح می‌دهند که مدلِ AA پارامتری در بر دارد که توصیفی ریاضی از شبهِ‌بلورها به‌دست می‌دهد. بنا به گفته‌ی آنان این موضوع را می‌توان مانندِ (ایجادِ) یک بعدِ اضافی پنداشت، یعنی ارتقای توپولوژی به دوبعد به طورِ موثر.

بنا به گفته‌ی Kraus ، این کشفی هیجان‌انگیز است چون به این معناست که با به‌کارگیریِ شبهِ‌بلورها می‌توان سامانه‌هایی فراتر از سامانه‌های سه‌بعدی ساخت، این (پیش‌رفت) برای فیزیکِ بنیادی یک موهبت خواهد بود. هم‌چنین می‌توان از شبهِ‌بلورها بهره گرفت و با به‌کارگیریِ موادی با توپولوژی‌های ویژه، ابزارهای کاربردی ساخت.

این گروه در حالِ حاضر سرگرمِ بررسیِ این پرسش هستند که چگونه می‌توان شبهِ‌بلوری دوبعدی با توپولوژیِ چهاربعدی ساخت.

این پژوهش در Physical Review Letters  شرح داده شده است.

درباره‌ی نویسنده: Hamish Johnston

منبع:

 http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/sep/11/topological-behaviour-spotted-in-quasicrystal