این تحقیق که نتایج آن در نشریه Physical Review X انتشار شده است، توسط کای سون، استاد فیزیک دانشگاه میشیگان، همراه با کای ژانگ پژوهشگر پسادکتری و چانگ شو دانشجوی دکتری انجام شده است.

به گزارش physics.org، سون درمورد این یافته او گفت: من به‌طور عمده یک نظریه‌پرداز هستم و با محاسبات تحلیلی روی کاغذ و قلم کار می‌کنم. مقصد من کشف اصول بنیادی تازه و اتفاق‌هایی است که قبلاً غیرممکن به نظر می‌رسید.

حالت سوم بین موج‌های کوانتومی

در فیزیک کلاسیک موج و ذره ماهیت‌های جداگانه‌ای دارند، اما در قلمرو کوانتومی ذراتی همانند نور و الکترون می‌توانند همزمان حرکت موجی و ذره‌ای از خود نشان دهند. پیش‌تر دانشمندان دو حالت مهم برای نحوه وجود امواج یا ذرات پرانرژی در مواد شناسایی کرده بودند:

• حالت موضعی (confined) که در آن انرژی در یک نقطه محبوس می‌شود.

• حالت انتشار کردن‌یافته (propagating) که در آن انرژی آزادانه حرکت می‌کند.

با این حال پژوهش‌ها نشان داده می بود که حالتی میانی نیز وجود دارد که به‌طور جزئی موضعی است، اما به‌طور کامل محبوس نمی‌شود. این حالت که با کم شدن انرژی به‌صورت قانون توان (power law decay) توصیف می‌شود، پیش‌تر حالتی ناپایدار و دشوار برای تشکیل فکر می‌شد.

کشف تازه: پایداری حالت میانی

سون و همکارانش نشان دادند که این حالت میانی برخلاف فکر رایج می‌تواند به‌طور طبیعی و پایدار در برخی سامانه‌ها شکل بگیرد، بدون آنکه به تنظیمات پیچیده نیاز داشته باشد.

سون گفت: قانون توان کم شدن زیاد آهسته‌تری نسبت به کم شدن نمایی دارد، اما هم چنان سریع تر از حالتی است که افتی وجود ندارد. مسئله شوق‌انگیز این است که ما خانواده‌ای از سامانه‌ها اشکار کرده‌ایم که در آنها همه حالت‌ها از نوع قانون توان می باشند و این ویژگی به‌طور بسیار‌ای پایدار است.

اهمیت ابعاد و شکل مواد

یکی از نوآوری‌های این پژوهش بازدید مواد در بیشتر از یک سپس می بود. در حالی که زیاد تر مطالعات قبلی تنها بر مدل‌های یک‌بعدی همانند نوار کشسان متمرکز بودند، محققان در این پژوهش نشان دادند که در دو یا چند سپس، حالت‌های میانی به‌طور طبیعی در نزدیکی مرز‌ها یا سطح مواد تشکیل خواهد شد. این چنین اشکار شد که شکل و نسبت ابعاد ماده (aspect ratio) نقش تعیین‌کننده‌ای در حرکت این حالت‌ها دارد؛ موضوعی که پیش‌تر ناشناخته می بود.

گامی به سوی کاربرد‌های فناورانه

این کشف علاوه بر جنبه‌های بنیادی می‌تواند راه را برای کاربرد‌های آینده هموار کند. برای مثال در رایانش کوانتومی می‌توان از حالت‌های موضعی برای انجام محاسبات و همزمان از حالت‌های قانون توان برای انتقال اطلاعات بین کیوبیت‌ها منفعت برد.

سون پافشاری کرد: این کار مفاهیم تازه‌ای را در حوزه فیزیک بنیادی آشکار می‌کند و همزمان زمان‌های جدیدی برای کاربرد‌های آینده تشکیل خواهد کرد.