آیا تا به حال دقت کردهاید که دست چپ و راست شما تصویر آینهای یکدیگرند اما نمیتوان آنها را کاملاً بر هم منطبق کرد؟ به این ویژگی «کایرالیته» یا «دستسانی» میگویند و یک خاصیت بنیادی در سراسر طبیعت است، از DNA گرفته تا بلورهای کوارتز. سالها بود که فیزیکدانان در مورد پدیدهای مرتبط با این موضوع گیج شده بودند: گزینش اسپین ناشی از کایرالیته (CISS). در این پدیده، مولکولهای کایرال میتوانند اسپین الکترونها را فیلتر کرده و یک قطبش اسپینی خالص ایجاد کنند، حتی در دمای اتاق و در حالت تعادل. این یک پارادوکس بزرگ بود، زیرا به نظر میرسید قوانین بنیادی ترمودینامیک، مانند اصل موازنه تفصیلی را نقض میکند.
اما اکنون، یک مطالعه پیشگامانه توسط پیوس ام. تایلر و متیو سی. بیرد از آزمایشگاه ملی انرژیهای تجدیدپذیر، راهحلی برای این معما ارائه کرده است. آنها یک چارچوب نظری جدید توسعه دادهاند که سرانجام این اثر عجیب را با فیزیک تثبیتشده آشتی میدهد. تحقیقات آنها نشان میدهد که برای مشاهده CISS به شرایط عجیب و غریبی نیاز نیست؛ تنها چیزی که لازم است، کایرالیته ساختاری ذاتی مولکول در ترکیب با برهمکنشهای استاندارد الکترونی (همبستگیهای الکترونی) است.
خب، این پدیده چگونه کار میکند؟ این تیم یک مفهوم جدید را معرفی کرد: یک «متریک غیرمحلی» که مستقیماً اسپین الکترون را به حرکت فضایی آن در ساختار کایرال مرتبط میکند. تصور کنید که شکل پیچخورده مولکول، یک مسیر ویژه ایجاد میکند که الکترونهای با اسپین خاصی را مجبور میکند متفاوت از همتایان خود حرکت کنند. این راهحل هوشمندانه، قطبش اسپینی مشاهدهشده را بدون نقض هیچیک از قوانین فیزیکی توضیح میدهد.
یکی از هیجانانگیزترین نتایج کار آنها، پیشبینی نوع کاملاً جدیدی از نظم مغناطیسی است که آن را «نظم مغناطیسی اسپین ناشی از کایرالیته» مینامند. این مفهوم، یک آرایش خاص و قابل پیشبینی از اسپینهای الکترون و موقعیت آنها در مولکول را توصیف میکند که مستقیماً ناشی از دستسانی آن است. این موضوع همچنین توضیح میدهد که چرا CISS اینقدر قوی است و حتی در موادی که از عناصر سبک ساخته شدهاند (که معمولاً برهمکنشهای مغناطیسی ضعیفی دارند) نیز قابل مشاهده است.
دانشمندان نظریه خود را با استفاده از یک چارچوب کوانتومی شبههرمیتی فرمولبندی کردند که روشی پیچیده برای مدیریت برهمکنشهای پیچیده در این سیستمها است. این رویکرد به آنها اجازه داد تا قوانین جدیدی (روابط تعمیمیافته اونزاگر-کازیمیر) استخراج کنند که اثرات شکست تقارن مشاهدهشده را در نظر میگیرد و در عین حال، سازگاری کلی فیزیک را حفظ میکند. کار آنها یک پایه محکم برای درک چگونگی تبدیل مستقیم شکل یک مولکول به اثرات مغناطیسی و الکترونیکی قابل اندازهگیری فراهم میکند.
این کشف فقط به حل یک معمای قدیمی محدود نمیشود، بلکه امکانات فوقالعادهای را برای فناوریهای آینده باز میکند. با درک و کنترل CISS، ما میتوانیم دستگاههای اسپینترونیک جدیدی بسازیم که به جای بار الکتریکی از اسپین الکترون برای الکترونیک سریعتر و کارآمدتر استفاده میکنند. همچنین میتواند منجر به ساخت حسگرهای پیشرفتهای شود که قادر به تشخیص مولکولهای راستدست از چپدست هستند؛ وظیفهای حیاتی در داروسازی و علم مواد.
برای کسب اطلاعات بیشتر درباره جزئیات، منبع اصلی را بررسی کنید:
منبع: Quantum Zeitgeist