محققان دانشگاه "روچستر" یک دستگاه لیزری ساخته‌اند که به لطف یک ماده نیمه هادی اتمی که داخل میکروسکوپ نوری لیزر قرار می‌گیرد، می‌تواند ذرات با جرم منفی ایجاد کند.

به گزارش ایسنا و به نقل از گیزمگ، محققان دانشگاه "روچستر"(Rochester) موفق به ساخت لیزری شده‌اند که قادر است ذراتی با جرم منفی تولید کند.

در تجربه روزمره اگر چیزی را فشار دهیم، از ما دور می‌شود. اما اشیا با جرم منفی این اصل اساسی را کنار می‌گذارند و در عوض به سمت شما سرعت می‌گیرند.

این موضوع به نظر علمی-تخیلی است، اما این ایده به لحاظ نظری امکان پذیر است و اثرات آن در آزمایش‌های اخیر مشاهده شده است.

در حال حاضر دانشمندان دانشگاه "روچستر" یک دستگاه ساخته‌اند که می‌توانند ذراتی را ایجاد کنند که جرم منفی را نشان می‌دهند.

قانون دوم حرکت نیوتن می‌گوید که نیروی بر روی یک جسم برابر است با جرم درونی آن ضرب در شتاب آن (F = ma). معمولا تمام این مقادیر مثبت هستند، چرا که اعمال نیروی مثبت در یک جسم با جرم مثبت باعث شتاب مثبت می‌شود و جسم را به سمت جلو هدایت می‌کند.

اما اگر یک جسم دارای جرم منفی باشد، نیرو نیز منفی می‌شود، به این معنی که جسم در جهت مخالف حرکت می‌کند. بنابراین اگر شما سعی کنید آن را هل دهید، شی خود را به دست شما فشار می‌دهد.

جرم منفی عمدتا تنها در تحلیل‌های نظری نشان داده شده است، اگر چه یک آزمایش سال گذشته اتم‌های روبیدیوم را با لیزرها دستکاری کرد تا یک مایع ایجاد کند که طوری عمل کند که جرم منفی داشته باشد.

در حال حاضر، محققان دانشگاه "روچستر" می‌گویند که دستگاهی ساخته‌اند که می‌تواند با ترکیب فوتون‌های نور لیزر و اکسیتون‌ها در یک ماده نیمه هادی(نیم‌رسانا)، ذراتی با جرم منفی ایجاد کند.

اکسیتون  یک حالت مقید الکترون‌–‌حفره است که این دو با نیروی الکترواستاتیک کولنی جذب می‌شوند. اکسیتون یک شبه ذره خنثی است که در عایق‌ها، نیم‌رساناها و برخی مایعات وجود دارد.

اکسیتون یک برانگیختگی ماده چگال است و می‌تواند بدون اینکه بار خالص داشته باشد، انرژی حمل کند. هنگامی که یک فوتون توسط نیم‌رسانا جذب می‌شود یک اکسیتون تولید می‌شود.

الکترون از باند والانس(نوار ظرفیت) به باند هدایت(نوار رسانش) برانگیخته می‌شود و یک حفره ایجاد می‌کند. این الکترون در باند هدایت به طور موثر جذب حفره می‌شود.

این جفت الکترون‌–حفره مقید یا همان اکسیتون دارای انرژی کمتری از جفت الکترون‌های غیر مقید است.

تابع موج حالت مقید تابع هیدروژنی گفته می‌شود، چون همان گونه که الکترون به پروتون مقید می‌شود و اتم هیدروژن خنثی را تشکیل می‌دهد، الکترون و حفره نیز می‌توانند توسط بر همکنش کولنی جذب شوند.

مفهوم اکسیتون اولین بار توسط "یاکوف فرنکل"(Yakov Frenkel) در سال 1931 مطرح شد. وی اکسیتون‌های اتم‌ها را در یک عایق توصیف و عنوان کرد که این حالت برانگیخته بدون اینکه بار خالصی را منتقل کند، قادر به حرکت در ساختار شبکه است.

نیم‌رسانا  یانیمه‌هادی، عنصر یا ماده‌ای است که در حالت عادی عایق باشد ولی با افزودن مقداری ناخالصی قابلیت هدایت الکتریکی پیدا کند. منظور از ناخالصی، عنصر یا عناصر دیگری است غیر از عنصر اصلی یا پایه، مثلا اگر عنصر پایه سیلیسیوم باشد ناخالصی می‌تواند آلومینیوم یا فسفر باشد.

نیم‌رساناها در نوار ظرفیت خود چهار الکترون دارند. میزان مقاومت الکتریکی نیم‌رساناها بین رساناها و نارساناها می‌باشد. از نیمه رساناها برای ساخت قطعاتی مانند دیود، ترانزیستور، تریستور، آی‌سی و غیره استفاده می‌شود.

ظهور نیم‌رساناها در علم الکترونیک انقلاب عظیمی را در این علم ایجاد کرده که اختراع رایانه یکی از دستاوردهای این انقلاب است.

و اما دستگاه بر اساس یک لیزر با یک هسته اصلی ساخته شده است. به طور معمول، نور بین یک جفت آینه رو به روی هم حرکت می‌کند و فضایی که نور در آن محصور شده است، حفره نوری یا میکروحفره نامیده می‌شود.

محققان در حفره نوری این دستگاه یک نیمه هادی نازک اتمی ساخته شده از "مولیبدنوم دیسلنائید" تعبیه کردند که در آن می‌تواند با نور محصور شده ارتباط برقرار کند.

اکسیتون‌ها برای ایجاد ذرات جدید به نام پلاریتون‌ها که دارای جرم منفی هستند در نیمه هادی با فوتون‌ها در نور محدود شده لیزر ترکیب می‌شوند.

"نیک وامیواکاس"، سرپرست این مطالعه در توصیف این دستگاه می‌گوید: با اجبار یک اکسیتون برای کنار گذاشتن و سپردن بخشی از هویت خود به یک فوتون برای ایجاد یک پلاریتون، ما با یک شی که دارای جرم منفی که با آن مرتبط است، مواجه می‌شویم.

وی افزود: این چیزی است که درک آن مشکل است و مغز را به چالش می‌کشد، زیرا اگر شما سعی کنید آن را فشار دهید یا آن را بکشید، در جهت مخالف از آنچه معمول است می‌رود.

محققان همچنان در تلاش هستند تا فیزیک ذرات جرم منفی را در دستگاه کشف کنند و اگر چه هنوز تا کاربرد عملی راهی طولانی باقی مانده است، اما یکی از اولین پیشرفت‌ها می‌تواند لیزرهای کارآمدتر باشد.

"وامیواکاس" می‌گوید: ما در حال رویا پردازی راه‌هایی برای اعمال فشار یا کشیدن این ذرات، شاید با استفاده از یک میدان الکتریکی در سراسر دستگاه و سپس مطالعه چگونگی حرکت این پلاریتون‌ها در اطراف دستگاه با استفاده از نیروی خارجی هستیم.

وی افزود: اما همچنین معلوم شد دستگاهی که ما ساخته‌ایم، راهی برای تولید نور لیزری با مقدار کمی انرژی است. با پلاریتون‌هایی که ما با این دستگاه ایجاد کرده‌ایم، نحوه عمل لیزر کاملا متفاوت است. سیستم با انرژی ورودی بسیار پایین‌تری شروع به پرتوافشانی می‌کند.

این تحقیق در مجله Nature Optics منتشر شده است.