ماده‌ای که فیزیک را به چالش کشاند

امروزه فیزیکدان‌ها سامانه‌های بسیاری را بررسی می‌کنند: از ساختارهای بسیار بزرگ مانند کهکشان‌ها گرفته تا ذرات بی‌نهایت ریز و حتی سیستم‌های اقتصادی، زیستی و محیطی.

هدف اصلی علم فیزیک، توصیف تمام پدیده‌های طبیعی قابل مشاهده برای بشر توسط مدل‌های ریاضی (به اصطلاح کمی کردن طبیعت) است.

تا قبل از قرن 20، با دسته‌بندی پدیده‌های قابل مشاهده تا آن روز، فرض بر این بود که طبیعت از ذرات مادی تشکیل شده است و تمام پدیده‌ها به واسطه 2 نوع برهمکنش بین ذرات (برهمکنش‌های گرانشی و الکترومغناطیسی) رخ می‌دهند.در ابتدای قرن 20 پدیده‌هایی مشاهده شدند که توسط نظریه‌های قبلی قابل توصیف نبودند.

بعد از پیشرفت‌های بسیار بنیادی در ربع اول قرن 20 نظریه‌های فیزیکی با نظریه‌های کامل‌تری که این پدیده‌ها را نیز توصیف می‌کردند، جایگزین شدند. مهم‌ترین تغییر تشکیل 2 دینامیک متفاوت برای اجسام ریز و اجسام بزرگ است، چون دینامیک اجسام بزرگ از لحاظ فلسفی به دینامیک قبلی نزدیکی زیادی دارد (بر خلاف دینامیک اجسام ریز که فلسفه‌ای کاملا متفاوت با آن دو دارد) نظریه‌ها به 2دسته استفاده کننده از دینامیک بزرگ (اصطلاحا کلاسیک) و کوانتوم تقسیم شدند.پژوهشکده فیزیک پژوهشگاه دانش‌های بنیادی که یکی از مراکز پژوهشی وزارت علوم، تحقیقات و فناوری محسوب می‌شود، باسابقه حدود 22 سال توانسته در عرصه علم فیزیک گام‌های موثری را بردارد.

دکتر رضا عسگری مدرک لیسانس خود را در رشته فیزیک از دانشگاه صنعتی شریف و مدرک فوق‌لیسانس را در همین رشته از دانشگاه شهید بهشتی دریافت کرد و سرانجام برای اخذ مدرک دکتری دوباره به دانشگاه صنعتی شریف برگشت.

دکتر عسگری به مدت یک‌سال دوره پسا دکتری را در پژوهشگاه دانش‌های بنیادی گذرانده و سپس جهت گذراندن دوره پسا دکتری، عازم شهر پیزای ایتالیا شد.

وی سال 2004 به عنوان عضو هیات علمی پژوهشکده فیزیک فعالیت خود را در پژوهشگاه دانش‌های بنیادی (IPM)آغاز کرد و توانست با مشارکت همکاران خارجی در این زمینه مقالات متعددی را در مجلات معتبر دنیا از جمله ساینس به چاپ برساند.

با وی به گفت‌وگو نشسته‌ایم تا از دنیای فیزیک مدرن و تحولات پیشروی این علم در ایران و جهان و چالش‌های آن بیشتر بدانیم.

پژوهشکده فیزیک در چه زمانی تاسیس شده است؟

پژوهشگاه دانش‌های بنیادی حدود 22 سال پیش با 2 پژوهشکده فیزیک و ریاضی فعالیت خود را آغاز کرد. در ابتدا با تعداد کمی از استادان، اما با انگیزه خاص مانند این که چگونه می‌توان به علوم نوین پا نهاد و چگونه می‌توان در تولید علم دارای سهم بود، فعالیت خود را شروع کرد. برای دستیابی به این اهداف در سال‌‌های اخیر، مقدماتی همچون کتابخانه مجهز و اینترنت پرسرعت و مناسب نیاز بود که آنها نیز توسط خود پژوهشگاه فراهم شد.

در حال حاضر پژوهشگاه دانش‌های بنیادی دارای 8 پژوهشکده فیزیک، ریاضی، علوم شناختی، کامپیوتر، ذرات و شتابگرها، نجوم، علوم نانو و فلسفه تحلیلی است که پژوهشکده‌های نجوم، ذرات و شتابگرها چند سالی است از پژوهشکده فیزیک جدا شدند، چراکه بر حسب تقسیم‌بندی نظری و آزمایشگاهی و براساس نوع کارشان، می‌طلبید که نگاه خاصی به آنها شود، بنابراین در قالب پژوهشکده‌های جدید فعالیت خود را آغاز کردند.

در پژوهشکده فیزیک تمام شاخه‌های رشته فیزیک نظری را پوشش نمی‌دهند، اما 2 شاخه فیزیک شامل فیزیک ماده چگال و فیزیک انرژی‌های بالا در پژوهشکده بسیار مورد توجه است. تیم ‌ پژوهشکده در شاخه فیزیک انرژی‌های بالا زیر شاخه‌های نظریه ریسمان،کیهان شناسی جهان اولیه و ذرات بنیادی پدیده شناختی، به تحقیقات مشغول هستند.

در شاخه فیزیک ماده چگال که عمدتا با پیوستن بنده به پژوهشگاه شکل گرفت در بعضی از موضوعات فیزیک ماده چگال به تحقیقات مشغول است. اعضای علمی در پژوهشکده را 8 عضو هیات علمی دوره پست دکتری، 6 دانشجوی دکتری شامل 2 دانشجو در شاخه فیزیک ماده چگال و 4 نفر در شاخه فیزیک انرژی‌های بالا و 7 دانشجو که استاد راهنمایشان از اعضای هیات علمی پژوهشکده هستند، تشکیل می‌دهد. 12 نفر از اعضای هیات علمی دانشگاه‌های مختلف کشور به صورت عضو هیات علمی پاره‌وقت و یک‌نفر هم از دانشگاه مازندران به عنوان فرصت مطالعاتی در پژوهشکده حضور دارند. به دلیل مهیا بودن شرایط مناسب تحقیقاتی پژوهشگاه دانش‌های بنیادی، پژوهشکده فیزیک دارای یک عضو محقق پست دکتری از کشور ایتالیاست که مدرک دکتری خود را از کشور انگلیس اخذ کرده است.

بله! پروژه‌های تحقیقاتی علمی مشترک با دیگر مراکز علمی مهم دنیا، اعزام گروه‌های تحقیقاتی و برگزاری کنفرانس و سمینارهای مشترک به وفور در پژوهشکده اجرا شده است. هم اکنون پژوهشگاه با مرکز تحقیقاتی SISSA در ایتالیا تفاهم‌نامه همکاری‌های علمی برای تبادل دانشجو، استاد و برگزاری فعالیت‌های علمی مشترک دارد. استادان پژوهشکده فیزیک نیز با مراکز علمی دیگر همکاری‌های علمی خوبی دارند.

از ابتدای قرن 20، مباحث بلور شناختی crystallography، علم مواد metallurgy، کشسانی elasticity، مغناطیس و... که با وجوه مختلف یک ماده جامد سر و کار داشتند به صورت مستقل در حیطه علوم قرار می‌گرفتند. تنها در دهه 1940 بود که این مباحث همراه عناوین دیگری به شکل واحد در شاخه‌ای از علم فیزیک، تحت عنوان فیزیک حالت جامد دسته‌بندی شدند و با گذشت کمتر از 2 دهه از آن و با گسترش حیطه مطالعه این علم به فیزیک مایعات و دستگاه‌های بس ذره‌ای به نام نوین فیزیک ماده چگال تغییر نام پیدا کرد. فیزیک ماده چگال گستره وسیعی دارد به طوری که نزدیک به یک‌سوم فیزیکدانان در آمریکا تنها در این شاخه از علم فیزیک فعالیت می‌کنند. دلیل اهمیت و استقبال زیاد از این شاخه، اهمیت کاربردی بودن آن است، چون ارتباط تنگاتنگی هم با آزمایشگاه و هم صنعت دارد.

گرافین لایه‌ای از گرافیت به ضخامت یک اتم است که اتم‌های کربن روی شبکه‌ای لانه‌زنبوری شکل قرار گرفته‌اند. جالب است بدانیم این ماده تک اتمی همانند الماس در برابر تغییر مکان اتم‌ها در صفحه مقاوم است و حرکت الکترون‌ها در آن حدود هزار برابر بیشتر از حرکت الکترون در بهترین فلز در دمای اتاق است.

برای آن‌که درکی از آن داشته باشید، یک صفحه کاغذ معمولی را در نظر بگیرید. اگر ضخامت آن را یک میلیون بار کوچک کنیم با یک پوسته بسیار نازک مواجه می‌شویم که از نظر ضخامت تقریبا برابر با گرافین است. اتم‌های تشکیل‌دهنده این پوسته کربن است و آرایش خاصی دارد که یک کریستال در فضای دوبعدی ایجاد می کنند.در حال حاضر بزرگ‌ترین نمونه گرافین ساخته شده دارای طول 30 سانتی‌متر است. این نمونه توسط شرکت سامسونگ برای کاربرد در صفحه نمایش ساخته شده است. دانشمندان امیدوارند گرافین با اندازه‌های بزرگ‌تری هم بسازنند. البته گرافین با ابعاد فعلی هم برای اهدافی که صنعتگران دنبال آن هستند، مناسب است. خواص الکترونی و نوری گرافین بسیار منحصر به فرد است که آن را کاملا متمایز از سایر مواد شناخته شده فعلی می‌کند. بنابراین برای محققان بسیار خوب است که به مطالعه خواص فیزیکی و شیمیایی آن بپردازند. خوشبختانه ساخت آن آسان است و پس از ساخت اولین نمونه آن، فعالیت و ساخت آن در بیشتر کشورها میسر شد و بشدت نمونه‌های آن برای مطالعه در دسترس فیزیکدانان و مهندسان قرار گرفت.

اولین مقاله مربوط به گرافین، اوایل سال 2005 ارائه شد که گروه تحقیقاتی در منچستر توانسته بودند پوسته نازک گرافین را در آزمایشگاه بسازند و نتایج آزمایش‌های جدید روی آن با فیزیک متعارف ماده چگال قابل توصیف نبود، چرا که در گرافین الکترون‌ها آنچنان حرکت می‌کنند که انرژی آنها متناسب با سرعت است و مدل‌بندی آن به گونه‌ای است که گویی الکترون‌ها جرم ندارند. بنابراین با توجه به چنین شرایط جدیدی دریچه‌ای نو روی فیزیک باز کرد که سبب شد دانسته‌های قبلی را بازنگری کنیم. بر این اساس همراه همکاران خارجی خود، یک سال پس از کشف گرافین، اولین مقاله خود را در این زمینه در مجله Physical Review Letter به چاپ رساندیم. هدف اصلی ما دستیابی به فهم بهتر فیزیک بر همکنش‌های الکترون ـ الکترون در ساختارهای گرافین است. برای این که به این خواص دست یابیم، باید چگونگی بر همکنش را بشناسیم.

سرانجام دریافتیم که یک جفت‌شدگی در بین ذرات در این سیستم به وجود می‌آید و اصطلاحا به آن پلاسمارون می‌گویند. برای تایید این نظریه می‌بایست این ذرات در آزمایشگاه مشاهده شوند. مذاکراتی را با یک گروه آزمایشگر که طی کنفرانسی در مرکز تحقیقات فیزیک نظری ایتالیا که توسط عبدالسلام (برنده جایزه نوبل)‌ راه‌اندازی شده بود، آغاز کردیم تا این پدیده را به صورت کمی ببینند.

با خوشحالی باید بگویم که نتایج آزمایش، نظریه ما را تایید کرد. این نتایج نشان داد که اولا تصور قبلی ما از گرافین کامل نبود و حال شناخت درست‌تری از ماهیت اصلی الکترون‌ها در گرافین داریم و دوم این‌که دریچه جدیدی از کاربرد‌های بیشتر گرافین روی دانشمندان گشوده شد. به عنوان مثال گرافین با چنین خصوصیات جدید را می‌توان در صنعت فوتونیک برای ساخت لیزرهای با فرکانس تراهرتز به کار گرفت. در حقیقت با به کار گیری شبه ذرات پلاسمارونی می‌توان ادوات بسیار ریزی ساخت که از ویژگی‌های الکترونی و فوتونی به طور همزمان پیروی ‌کند و بدون شک این مهم، تحول عظیمی در صنعت، ارتباطات راه دور، کامپیوترهای نسل آینده که بر مبنای محاسبات کوانتومی کار می‌کنند و صنعت الکترونیک ـ فوتونیک خواهد داشت. به عبارتی از چنین ذرات مرکبی می‌توان برای تولید فرکانس 1012 دور در ثانیه استفاده کرد. خوشبختانه ترانزیستورهای مبتنی بر گرافین توسط شرکت IBM ساخته شده که سرعت پردازش داده‌ها در آن 300 برابر بیشتر از ترانزیستورهایی است که امروزه در کامپیوتر‌های شخصی به کار می‌رود بنابراین بر اساس نتایج تحقیقات در این مقاله ما، گرافین کاندیدای بسیار خوبی برای همبستگی بین صنعت فوتونیک و الکترونیک معرفی شده است.

ظرفیت علمی ایران برای مشارکت علمی خوب است، اما از این هم نباید غافل شد که برای تعامل با دیگر گروه‌ها مدیریت بسیار حائز اهمیت است. وقتی در یک فعالیت علمی مشارکت می‌کنیم، چون با افراد حرفه‌ای مواجه هستیم باید به همان اندازه ما نیز حرفه‌ای عمل کنیم.

نباید فراموش کرد که چنانچه می‌خواهیم گام‌های بزرگ علمی برداریم، نمی‌توانیم مستقل از گروه‌هایی علمی بزرگ دنیا کار کنیم. البته در این مشارکت‌ها نیازمند حداقل‌ امکاناتی هستیم که باید مهیا شود.