تا کنون با سه شکل ماده آشنا شده اید: جامد، مایع و گاز. ولی این ها تمام حالات ماده نیستند. انواع مختلف ماده به طور کلی عبارتند از : جامد، مایع، گاز، پلاسما، ماده چگال بوز - انیشتین و حالتی که تقریبا به تازگی کشف شده، یعنی ماده چگال فرمیونی.

همه مردم، خصوصیات حالات معمولی مواد جامد، مایع و گاز را روی زمین می شناسند. مواد جامد در برابر تغییر شکل مقاومت می کنند و سفت و شکننده اند. مایعات جاری می شوند و به سختی متراکم می شوند و شکل ظرف را به خود می گیرند. گازها کم چگال ترند و راحت تر متراکم می شوند و نه تنها شکل ظرف محتوی خود را می گیرند، بلکه آن قدر منبسط می شوند که کاملا آن را پر کنند.



حالت چهارم ماده، یعنی پلاسما شبیه گاز است و از اتم هایی تشکیل شده است که تمام یا تعدادی از الکترون های خود را از دست داده اند (یونیزه شده اند). بیش تر ماده جهان در حالت پلاسما است؛ مانند خورشید. پلاسما اغلب بسیار گرم است و می توان آن را در میدان های مغناطیسی به دام انداخت.

حالت پنجم با نام ماده چگال بوز انیشتین (condensate Bose Einstein) که در سال ١٩٩٥ کشف شد، در اثر سرد شدن ذراتی به نام بوزون ها (Bosons) تا دماهای بسیار پایین پدید می آید.





بوزون های سرد در هم فرو می روند و ابر ذره ای که رفتار آن بیش تر، موج مانند است تا ذره معمولی، شکل می گیرد. ماده چگال بوز انیشتین ، شکننده است و سرعت عبور نور در آن بسیار کم است.



حالت تازه، ماده چگال فرمیونی (Fermionic condensate) است. دبورا جین از دانشگاه کلورادو که گروهش در اواخر پاییز سال ١٣٨٢ موفق به کشف این شکل تازه ماده شده است، می گوید: وقتی با شکل جدیدی از ماده روبرو می شوید، باید زمانی را صرف شناخت ویژگی هایش کنید. آن ها این ماده تازه را با سرد کردن ابری از پانصد هزار اتم پتاسیم تا دمایی کم تر از یک میلیونیوم درجه بالاتر از صفر مطلق (کلوین) به وجود آوردند. این اتم ها در چنین دمایی بدون گران روی (ویسکوزیته) جریان می یابند و این نشانه ظهور ماده ای جدید است. اما مشخص نیست در دماهای پایین تر چه اتفاقی می افتد.

ماده چگال فرمیونی بسیار شبیه به ماده چگال بوز انیشتین (BEC) است. ذرات بنیادی (الکترون ها، پروتون ها و ...) و اتم ها در طبیعت می توانند به شکل بوزون یا فرمیون باشند. یکی از تفاوت های اساسی میان این ذرات، حالت های کوانتومی مجاز برای آن هاست.



تعداد زیادی بوزون می توانند در یک حالت کوانتومی باشند؛ مثلا انرژی، اسپین و ... آن ها یکی باشد، اما مطابق اصل طرد پائولی، دو فرمیون نمی توانند هم زمان، حالت های کوانتومی یکسانی داشته باشند. برای همین، در آرایش اتمی، الکترون ها که فرمیون هستند، نمی توانند همگی در یک تراز انرژی قرار بگیرند. در هر اوربیتال تنها دو الکترون که اسپسن های متفاوت داشته باشند، جا می گیرند و الکترون های بعدی باید به اوربیتال دیگری با انرژی بالاتر بروند. بنابراین اگر فرمیون ها را سرد کرده و انرژی آن ها را بگیریم، ابتدا پایین ترین تراز انرژی پر می شود، اما ذره بعدی باید به ترازی با انرژی بالاتر برود.

دکتر جین دبورا (Jin Deborah) سرپرست گروه دانشمندانی که چگالش فرمیونی را کشف کردند، درباره یافته های جدید می گوید: دسامبر سال گذشته، زمانی که حالت جدید را کشف کردیم برای ما اوقات هیجان انگیزی بود گروه ما هم به خاطر هیجان ناشی از پیشرفت های چشمگیر و هم به خاطر رقابت فشرده برای کشف حالت جدید، بسیار سخت کار می کرد تا اینکه نتیجه دلخواه به دست آمد



اگر از دانش آموزان دوره دبیرستان خواص معمولی مواد را بپرسید، در پاسخ می گویند جامد ها شکل ثابتی دارند و از نظر فیزیکی سخت هستند اما قابلیت خرد شدن را هم دارند. مایعات به آسانی جریان می یابند اما متراکم کردن آنها بسیار سخت است ودر هر ظرفی قرار بگیرند شکل آن ظرف را به خود می گیرند. گاز ها کمترین چگالی را در مقایسه با سایر حالات دارند و به آسانی متراکم می شوند. گاز ها نه تنها در هر ظرفی قرار بگیرند شکل ظرفی را به خود می گیرند، بلکه در تمام حجم ظرف پراکنده می شوند و تمام فضای ظرف را اشغال می کنند. چهارمین شکل ماده پلاسماست. این حالت تقریباً گاز مانند است اما اتم های سازنده پلاسما به الکترون ها و یون ها شکافته شده اند.

خورشید نمونه ای از حالت پلاسما است. در واقع بیشتر ماده جهان به شکل پلاسما است. پلاسما ها معمولاً بسیار داغ هستند از این رو نمی توان پلاسما را تولید و در ظرف های معمولی نگهداری کرد. پلاسما را با استفاده از میدان مغناطیسی می توان در یک محدوده از فضا حبس کرد. پنجمین شکل ماده، حالت چگالیده بوز _ اینشتین است که در سال ۱۹۹۵ کشف شد. این حالت از ماده زمانی پدید آمد که دانشمندان موفق شدند بوز ون ها را تا دمایی بسیار پایین سرد کنند. در دماهای بسیار پایین، بوزون ها به صورت سوپر ذرات منفردی درمی آیند که بیشتر از آنکه ذره مادی باشند موج مانند به نظر می رسند. این حالت از ماده بسیار شکننده است و نور به آهستگی از میان آن عبور می کند. پس از چند سال از کشف حالت چگالیده بوز _ اینشتین، اینک حالت چگالیده فرمیونی هم به حالت های قبلی اضافه شده است. این شکل از ماده چنان بدیع است که هنوز اغلب خواص آن ناشناخته است. اما آنچه که مسلم است این حالت هم در دمای بسیار پایین قابل دسترسی است. دکتر جین و همکارانش برای دستیابی به این حالت جدید، تعداد ۵۰۰ هزار اتم پتاسیم با عدد جرمی ۴۰ را تا دمایی کمتر از یک میلیونیوم کلوین سرد کردند. این دما بسیار نزدیک به صفر مطلق است. در این حالت اتم های پتاسیم بدون آنکه چسبندگی میان آنها وجود داشته باشد، به صورت مایع جریان یافتند. پایین تر ازاین دما چه اتفاقی می افتد؟ جواب این سئوال را کسی نمی داند. دانشمندان در حال حاضر برای یافتن پاسخ این سئوال به تحقیق مشغول هستند. حالت چگالیده فرمیونی تا حدی شبیه چگالش بوز - اینشتین است. هر دو حالت از اتم هایی تشکیل شده اند که این اتم ها در دمای پایین به هم می پیوندند و جسم واحدی را تشکیل می دهند. در چگالش بوز - اینشتین اتم ها از نوع بوزون هستند در حالی که در چگالش فرمیونی اتم ها فرمیون هستند. تفاوت میان بوزون ها و فرمیون ها چیست؟ رفتار بوزون ها به گونه ای است که تمایل دارند با هم پیوند برقرار کنند و به هم متصل شوند. یک اتم در صورتی که حاصل جمع تعداد الکترون، پروتون و نوترون هایش زوج باشد. بوزون است به عنوان مثال اتم های سدیم بوزون هستند زیرا اتم های سدیم در حالت عادی یازده الکترون، یازده پروتون و دوازه نوترون دارند که حاصل جمع آنها عدد زوج ۳۴ می شود. بنابراین اتم های سدیم این قابلیت را دارند که در دماهای پایین به هم متصل شوند و حالت چگالیده بوز - اینشتین را پدید آورند اما از طرف دیگر فرمیون ها منزوی هستند. این ذرات طبق اصل طرد پائولی هنگامی که در یک حالت کوانتومی قرار می گیرند همدیگر را دفع می کنند و اگر ذره ای در یک حالت کوانتومی خاص قرار گیرد مانع از آن می شود که ذره دیگری هم بتواند به آن حالت دسترسی یابد. هر اتم که حاصل جمع تعداد الکترون، پروتون و نوترون هایش فرد باشد، فرمیون است. به عنوان مثال، اتم های پتاسیم با عدد جرمی ۴۰ فرمیون هستند زیرا دارای ۱۹ الکترون، ۱۹ پروتون و ۲۱ نوترون هستند و حاصل جمع این سه عدد برابر ۵۹ می شود. دکتر جین و همکارانش بر پایه همین خاصیت انزوا طلبی فرمیون ها روشی را پیش گرفتند و از میدان های مغناطیسی کنترل شونده ای برای انجام آزمایش ها استفاده کردند. میدان مغناطیسی باعث می شود که اتم های منفرد با هم جفت شوند و میزان جفت شدگی اتم ها در این حالت با تغییر میدان مغناطیسی قابل کنترل است. انتظار می رفت که اتم های جفت شده پتاسیم خواص همانند بوزون ها داشته باشند اما آزمایش ها نشان دادند که در بعضی از اتم ها که میزان جفت شدگی ضعیف بود هنوز بعضی از خواص فرمیونی خود را از دست نداده بودند. در این حالت یک جفت از اتم های جفت شده می تواند به جفت دیگری متصل شود و این جفت شدگی به همین ترتیب ادامه یابد تا اینکه سرانجام باعث تشکیل حالت چگالیده فرمیونی شود. دکتر جین شک داشت که جفت شدگی اتم های مشاهده شده همانند جفت شدگی اتم های هلیوم مایع باشد که به آن ابرشارگی می گویند. ابر شاره ها نیز بدون آنکه خاصیت چسبندگی میان آنها باشد به راحتی جریان می یابند.

وضعیت مشابه دیگر، حالت ابررسانایی است. در یک ابر رسان الکترون های جفت شده (الکترون ها فرمیون هستند) بدون آ نکه با مقاومت الکتریکی مواجه شوند به راحتی جریان می یابند. علاقه وافری به ابررسانا ها وجود دارد زیرا از آنها برای تولید الکتریسیته پاک و ارزان می توان استفاده کرد. در صورتی که استفاده از ابر رساناها در تکنولوژی میسر شود، قطار های برقی سریع السیر و کامپیوتر های فوق سریع با قیمتی پایین روانه بازار خواهد شد. اما متاسفانه استفاده از ابر رساناها حتی تحقیق درباره آنها دشوار است. بزرگ ترین مشکل این است که حداقل دمایی که لازم است تا یک ابررسانا ایجاد شود. ۱۳۵ _ درجه سلسیوسی است. بنابراین نیتروژن مایع یا دستگاه سرد کننده دیگری لازم است تا سیم های رابط و هر وسیله جانبی دیگری که الکترون های جفت شده در آن محیط قرار می گیرند را سرد نگه دارد. این فرآیند هزینه زیادی می خواهد و به دستگاه های پرحجمی نیاز دارد. اما اگر ابر رسانایی بر دمای اتاق برقرار شود، کار کردن با آن فوق العاده راحت می شود و استفاده از آن به خاطر مزیت های یاد شده سریعاً افزایش می یابد. دکتر جین می گوید، کنترل میزان جفت شدگی اتم ها با استفاده از تغییر میدان مغناطیسی، همانند تغییر دما برای یک ابررساناست. این روند ما را امیدوار می کند که بتوانیم آموخته های خود از چگالش فرمیونی را به دیگر زمینه ها از جمله ابررسانایی در دمای اتاق تسری دهیم. ناسا کاربرد های زیادی را برای ابررسانه ها در نظر گرفته است. به عنوان مثال استفاده از ابر رساناها باعث خواهد شد که مدار ماهواره های چرخنده به دور زمین با دقت بسیار بالایی کنترل شوند. خاصیت اصلی ابررسانا ها به دلیل نداشتن مقاومت الکتریکی امکان انتقال جریان الکتریکی بزرگی در حجم کوچکی از ابررسانا است. به همین خاطر اگر به جای سیم های مسی از ابررساناها استفاده شود، موتور های فضاپیما ها تا ۶ برابر نسبت به موتور های فعلی کوچک تر و سبک تر خواهند شد و باعث می شود که وزن و هزینه ارسال فضاپیما بسیار کاهش یابد. از دیگر زمینه هایی که ابررساناها می توانند نقشی اساسی در آنها بازی می کنند می توان کاوش های بعدی انسان از فضا را نام برد. ابررسانا ها بهترین گزینه برای تولید و انتقال بسیار کارآمد انرژی الکتریکی هستند و طی شب های طولانی ماه که دما تا C ۱۷۳ _ درجه سانتی گراد پایین می آید و طی ماه های ژانویه تا مارس دستگاه های MRI ساخته شده از سیم های ابررسانا، ابزار تشخیصی دقیق و توانمندی در خدمت سلامت خدمه فضاپیما ها خواهد بود.