به تازگی یک ابرکامپیوتر موفق شده تا وزن نخستین کاندیدای اسرار آمیز ترین ماده جهان را مشخص کند. این ماده ۱۰ میلیارد مرتبه سبک تر از یک الکترون است.

گویا آی تی – تقریباً ۹۵ درصد از هستی و هر چیز درون آن از ماده تاریک و انرژی تاریک ساخته شده اند – چیزهایی که باید در حالت استاندارد فیزیکی باشند تا قابل درک باشند، اما هیچ کس نمی داند آنها واقعاً چه هستند.
اما یک ابرکامپیوتر شاید بداند، زیرا دانشمندان به تازگی از یکی از این ابرکامپیوترها استفاده کرده اند تا یک طرح کلی از ذراتی که می توانند ماده تاریک را شکل دهند ترسیم کنند و برای اولین بار این ابرکامپیوتر توانست وزن یک اکسیون (axion) را پیش بینی کند – اکسیون یک ذره فرضی است که کاندیدای نخست ماده گمشده در جهان محسوب می شود.
در نهایت دانشمندان از وزن تخمین زده شده اخیر یک اکسیون – ۱۰ میلیارد بار سبک تر از یک الکترون – می توانند در جستجوی یک کاندیدا برای ماده تاریک استفاده کنند و پژوهشگران می گویند آن حتی می تواند به ما کمک کند تا شواهد آشکاری از آن را شناسایی کنیم.
آندرآس رینگ والد، یکی از اعضای تیم تحقیق از مرکز ملی پژوهش (DESY) در آلمان می گوید، ” دانستن این که ما در جستجوی چه نوع جسمی هستیم، می تواند برای یافتن این نوع شواهد بسیار مفید باشد. در غیر این صورت این جستجو می تواند دها سال طول بکشد، زیرا مجبور هستیم تا گستره بسیار وسیعی را بررسی کنیم. ”
رینگ والد و همکارانش تصمیم گرفتند تا بر روی اکسیون ها متمرکز شوند، زیرا آنها یکی از کاندیداهای نخست ماده تاریک هستند که هنوز باید از اسرار آنها پرده گشایی شود.
تصور بر این است که شکل ناشناخته ماده در هستی می تواند یا از چند ذره بسیار سنگین ساخته شده باشد و یا از ذرات بسیار سبک فراوان تشکیل شده باشد و اکسیون ها در دسته دوم قرار می گیرند.
فرض بر این است که اکسیون ها ذراتی با جرم پایین و با حرکت آرام باشند که هیچ باری ندارند و تعامل ضعیفی با ماده های دیگر برقرار می کنند.
این مسئله شناسایی آنها را دشوار می کند، اما با در نظر گرفتن این حقیقت که آنها ممکن است با ماده دیگری تعامل داشته باشند مسلماً باید ما را قادر سازد تا با استفاده از تجهیزات مناسب آنها را شناسایی کنیم – اگر بدانیم که باید به کجا نگاه کنیم.
اکسیون ها به عنوان کاندیدای نخست ماده تاریک شناخته می شوند به لطف گسترش کرومودینامیک کوانتومی، که یک تئوری کوانتومی است و تصور می شود نیروی قدرتمند اتمی را کنترل می کند – که یکی از چهار نیروی بنیادین جهان هستی است.
کرومودینامیک کوانتومی وجود یک ذره با تعامل بسیار پایین را پیش بینی کرده است که جرم آن به قدرت نوسانات کوانتومی در ساختار فضا – زمان بستگی دارد. اگر شما فکر می کنید که این مبهم به نظر می رسد و همانند یافتن سوزن در انبار کاه در مقیاس کوانتومی است، کاملاً درست فکر می کنید.
در این جا است که ابرکامپیوتر JUQUEEN (BlueGene/Q) در آلمان وارد بازی می شود. تیم تحقیقی نیازمند چیزی بود که بتواند تعداد متغیرهای بی شمار و دیوانه کننده مورد نیاز برای تشریح یک اکسیون را مدیریت کند.
این کامپیوتر پیش بینی کرد که اگر اکسیون ها واقعاً حجم عمده ماده تاریک را تشکیل داده باشند، آنها باید حجمی برابر با ۵۰ تا ۱۵۰۰ میکروالکترون ولت داشته باشند، که آنها را ۱۰ میلیارد مرتبه سبک تر از یک الکترون می کند.
این بدین معناست که اگر ماده به طور مساوی در هستی پراکنده شده بود، هر سانتیمتر مکعب از هستی به طور میانگین حاوی ۱۰ میلیون اکسیون می بود.
اما به نظر نمی رسد که ماده تاریک به طور مساوی در هستی پراکنده شده باشد – آن به صورت توده ای وجود دارد، مانند این کهکشان، که دارای ۹۹٫۹۹ درصد ماده تاریک است. این یعنی این که کهکشان راه شیری ما محتوی رقم بسیار بزرگ یک تریلیون اکسیون در هر سانتیمتر مکعب است.
پژوهشگران امیدوارند اکنون که محدوده جستجو را کم کرده اند علم فیزیک بتواند وجود یا عدم وجود اکسیون ها را یک بار برای همیشه اثبات کند.
زولتان فودور، یکی از اعضای گروه تحقیقاتی از دانشگاه Wuppertal آلمان می گوید، ” نتایجی که ما ارائه می کنیم احتمالاً به رقابت برای کشف این ذرات منجر خواهد شد. ”

این پژوهش در سایت Nature منتشر شده است.

اکثر لنزها، عدسی‌ها و لیزرها دارای یک روکش ضد انعکاس هستند. متاسفانه این روکش‌ها تنها در دامنه محدودی از طول موج عملکرد قابل قبولی دارند. به یک تابش الکترومغناطیسی (مثل نور) که می‌تواند به شکل موج پخش شود، طول موج می‌گویند.

گویا آی تی – دانشمندان شاخه سیستم‌های هوشمند بنیاد ماکس پلانک اشتوتگارت، فناوری جدیدی که جایگزین این روکش‌ها خواهد شد معرفی کرده‌اند. این پژوهشگران به جای قرار دادن روکش روی سطوح خود آنها را دستکاری کردند. این شیوه جدید در مقایسه با روش‌های مرسوم سنتی، اثر ضد انعکاسی بسیار بهتری داشته و در دامنه گسترده‌تری از طول امواج عمل می‌کند. اما جدای از همه این مزیت‌ها این روش جدید موجب شده که مقدار عبور نور از سطوح هم افزایش قابل توجهی پیدا کند. به لطف این سطوح ساخته شده از نانو شاهد افزایش کیفیت و بهبود عملکرد لیزرهای پر انرژی، صفحات لمسی و همچنین افزایش توان خروجی صفحات خورشیدی خواهیم بود.

پژوهشگران بنیاد ماکس پلانک این تکنیک جدید را با الهام از طبیعت و بررسی ویژگی‌های قرنیه چشم حشره بید طراحی کرده‌اند. قرنیه‌های چشم این حشره که معمولا علاقه بیشتری به فعالیت شبانه دارد تقریبا کل میزان نور وارده را از خود عبور داده و تنها درصد بسیار ناچیزی از آن را منعکس می‌کنند. چشمان بید در شب تابش نور را ساطع نکرده، از این رو شکارچیان احتمالی به هیچ عنوان متوجه حضور این حشره نخواهند شد. ضمنا انعکاس کمتر نور به این معنی است که بیدها قادر به استفاده از نور بسیار کم شب‌ برای مشاهده محیط اطراف هستند.
این جادوی دنیای حشرات به دانشمندان الهام بخشید که برای طراحی و ساخت تجهیزات نوری از شیوه‌ای مشابه با عملکرد قرنیه چشم بید استفاده کنند. ابزارهایی که با استفاده از این روش طراحی خواهند شد باید همانند قرنیه‌های بید، باید به نور اجازه دهند که نور را از خود عبور داده و کمترین میزان انعکاس نور در آنها اتفاق بیفتد. در حال حاضر طراحان ابزارها روی لنزها، صفحات نمایش، مانیتورها و تجهیزات لیزری روکش ضدانعکاس قرار می‌دهند. البته این روکش‌ها معایب متعددی دارند. اکثر این روکش‌ها تنها در یک دامنه طول موج محدود عمل کرده و بسته به زاویه‌ی انتشار نور، موجب بروز خطا در عملکرد لنزها می‌شوند.

به کارگیری شیوه عملکرد قرنیه‌ی چشمان بید این مشکلات بزرگ را مرتفع خواهد کرد. برای این منظور دانشمندان آلمانی به رهبری پروفسور یواخیم اشپاتز، به بررسی دقیق نحوه عملکرد قرنیه چشمان حشره بید پرداختند. ژائولو دیائو، فیزیکدان گروه عملکرد چشمان بید را این طور توضیح می‌دهد: ”سطح چشم بید با ساختارهای ستون مانند بسیار متراکمی پوشانده شده است. این ساختارها تنها چند صد نانومتر طول ارتفاع داشته و به شکل یک مخروط کنار هم قرار گرفته‌اند. این ستون‌ها شبیه ”چکیده‌هایی“ هستند که به طور منظم کنار یکدیگر و روی سطح یک گودال چیده شده‌اند. چکیده‌ها مخروط‌های آهکی کف غارها هستند که در اثر چکیدن قطره‌های آب آهکی از سقف غارها و یا از نوک مخروط‌های استالاکتیت در کف غار تشکیل می‌شوند. زمانی که نور از این لایه مرزی مخروطی شکل عبور می‌کند، تغییر پیوسته ضریب شکست آن از هوای اطراف محیط چشم شروع شده و به مواد لایه‌های بیرونی چشم بید ختم می‌شود.

این تغییر تدریجی ضریب شکست نور موجب می‌شود لایه قرار گرفته روی چشم بید مانع از انعکاس نور ورودی به آن شود؛ به عبارت دیگر تقریبا تمام نور ورودی به چشم نفوذ کرده و هیچ بخشی از آن منعکس نمی‌شود. در مقابل، در زمان برخورد نور ورودی با یک سطح صاف، ضریب شکست نور به طور ناگهانی تغییر کرده و طبق قوانین فیزیک، این امر موجب انعکاس نور می‌شود. دیائو یکی دیگر از پیش‌نیازهای لازم برای عدم انعکاس نور را هم اضافه می‌کند: ”فواصل بین ستون‌ها باید فوق‌العاده کوچک‌تر از طول موج نور ورودی باشند.“
دانشمندان به‌منظور تقلید شیوه عملکرد چشمان بید نیازمند پیدا کردن راهی برای تبدیل سطوح صاف به سطوحی پر از ستون‌های کوچک نانویی بودند. آنها برای انجام این مهم یک فرآیند دو مرحله‌ای طراحی و اجرا کردند. در گام اول، ذرات طلا را روی یک سطح بزرگ شش گوش (شبیه لانه زنبور) ته‌نشین کردند. ذرات طلا در در این الگوی معمولی شش گوش دقیقا در محل تقاطع خطوط قرار می‌گرفتند. در گام دوم، تقاطع‌های پر شده از طلا در یک فرآیند ماشینکاری شیمیایی (اصطلاحا ”سونش“) به شکل یک روپوش مخصوص در می‌آیند؛ در نتیجه، هیچ ماده‌ای از سطخ زیرین تقاطع‌های پوشیده از طلا نشت نکرده و ساختارهای عمودی ستون مانند مورد نیاز روی سطح تشکیل می‌شوند. این سطوح ساختارمانند در فواصل دو در دو سانتی‌متر پوشانده می‌شوند.

مهم‌ترین مساله ارتفاع ستون است
تا چندی پیش این تکنیک تنها برای اشعه ماوراء بنفش (UV) با طول موج کوتاه و همچنین نور مرئی جواب داده بود (نور مرئی قسمتی از طیف الکترومغناطیسی با طول موجهای بین ۴۰۰ تا۷۰۰ نانومتر بوده که توسط چشم انسان قابل مشاهده است؛ در یک سمت این ناحیه، منطقه مادون قرمز و در سمت دیگر آن اشعه‌های ماوراءبنفش، ایکس و گاما قرار دارند). این تکنیک در طول امواج بلندتر که به اشعه مادون قرمز نزدیک‌تر (NIR) هستند عمل نمی‌کند. این مشکل ناشی از اندازه ستون‌هاست. در اوایل شروع پروژه، ستون‌ها به فاصله ۵۰۰ نانومتر بیرون از سطح قرار می‌گرفتند. ستون‌ها به اندازه کافی بلند نیستند تا به عبوردهی نور به میزان ۵/۹۹ درصد یا بیشتر که مورد نیاز طول امواج بلندتر اشعه مادون قرمز نزدیک‌تر (NIR) است، برسند. دیائو توضیح می‌دهد: ” هر چه امواج نور طولانی‌تر باشند، ما باید ستون‌های نانومتری بلند‌تری بسازیم.“
نهایتا این گروه از محققان روش‌های خود را بهینه‌سازی و روشی جدید برای افزایش اندازه ذرات طلای ته‌نشین شده که به شکل ستون روی سطوح قرار می‌گیرند، پیدا کردند. دیائو:”این امر موجب شد سونش بیشتر ماده امکان‌پذیر شود.“ دانشمندان هم اکنون قادر به برجسته‌سازی ستون‌ها به ارتفاع ۲۰۰۰ نانومتر یا به عبارتی ۲ میکرومتر هستند، ۴ برابر بیشتر از مقدار قبلی یعنی ۵۰۰ نانومتر.

تکنیک‌های جدید تغییر شکل ستون‌های نانویی را هم برای دانشمندان امکان‌پذیر کرده است. آنها هم اکنون قادر به تغییر شیوه‌ قرارگیری ستون‌های مخروطی از پایین به بالا بوده و همچنین امکان تعیین دقیق اندازه نوک مخروط‌ها را هم دارند.لیزرهای پر توان
عدسی
اشعه
عبور در طی پروسه دستکاری دانشمندان متوجه شدند یکدست بودن ستون‌های مخروطی شکل، موجب عبور بیشترین میزان نور از سطوح می‌شود.
دانشمندان بعد از تست ستون‌ها با اندازه‌های مختلف، تائید کردند که بهترین میزان عبوردهی نور برای طول امواج مختلف را به دست آورده‌اند. در ستون‌هایی با ارتفاع ۹۵/۱ میکرومتر میزان عبوردهی نور در بهترین حالت ممکن ۸/۹۹ درصد بود، به عبارت دیگر برای طول امواج بلندتر اشعه مادون قرمز تقریبا ۴/۲ میکرومتر. با افزایش ارتفاع ستون، دامنه طول امواج با میزان عبوردهی نور بیشتر می‌شود. در لایه‌هایی با ستون‌هایی به ارتفاع ۹۵/۱ میکرومتر، بیشترین میزان عبور دهی نور به ۵/۹۹ یا بیشتر می‌رسد، یا به عبارتی پوشش تقریبا۴۵۰ نانومتر از کل طیف. در ستون‌های کوچک‌تر، بزرگترین روزنه عبور نور تنها ۲۵۰ نانومتر عرض عرض دارد.
میزان بالای عبوردهی نور در کنار انعکاس بسیار کم آن، پایه و اساس ”کاربردهای نامرئی“ هستند زیرا چنین موادی بعد از قرارگیری روی سطح، به خاطر نور موجود در محیط غیرقابل تشخیص‌ می‌شوند. بعد از پروسه ساخت ستون‌ها از یک قطعه‌ شیشه کوارتز روی آنها قرار می‌گیرد؛ معمولا مردم قادر به تشخیص نمای کلی شیشه کوارتزی که رو‌به‌روی آنها قرار بگیرد نبوده و دوربین‌ها هم قادر به ضبط آنها نیستند. اما زمانی که دانشمندان بنیاد ماکس پلانک یک تصویر را با قطعه‌ای از شیشه کوارتز پر از ستون‌های نانویی پوشاندند، حتی زمانی که از زوایه تند یا از لبه بالایی به آن نگاه می‌شد، تصویر همچنان قابل مشاهده بود (تصویر را ببینید). در مقابل، شیشه کوارتزی که سطح آن دستکاری نشده باشد نور ورودی را به میزان زیادی منعکس کرده به طوری که بینندگان حتی در زاویه ۳۰ درجه هم قادر به مشاهده هیچ چیز نخواهند بود.

خروجی‌های بیشتر برای لیزرهای پر توان
در اولین گام آزمایشی دانشمندان فرضیه خود را با استفاده از شیشه کوارتز امتحان کردند. البته در آینده قصد تست تکنیک‌ها روی لنزهای نوری و یاقوت‌ها را دارند . به محض اثبات عملی بودن این تکنیک‌ها روی مواد جدید، دانشمندان مشتاق بررسی کاربردهای آن هستند. بدون شک در صنایعی که استفاده از تجهیزاتی که انعکاس نور در آنها نزدیک به صفر بوده، دامنه بسیار گسترده‌ای از طول امواج را پوشش داده و میزان عبوردهی نور از آنها نزدیک ۸/۹۹ درصد است، کاربرد وسیعی خواهند داشت. دیائو باور دارد که ”یکی از حوزه‌های بسیار مهم حوزه لیزرهای پر توان (High Energy Laser) است که در دامنه اشعه مادون قرمز عمل می‌کنند.“ به خصوص در بعضی از سیستم‌های لیزری خاص که در آنها نور در زمان عبور پیوسته تقویت شده، انعکاس کم نور باعث فقدان قابل توجه انرژی خواهد شد. دیائو به این نکته هم اشاره می‌کند: ”بعد از ۵۰ بار برخورد اشعه نور با سطحی که میزان عبوردهی نور از آن ۵/۹۹ درصد است، بیست و سه درصد انرژی از بین خواهد رفت.“ اگر میزان عبوردهی نور ۸/۹۹ درصد باشد کل میزان انرژی تلف شده بعد از ۵۰ بار عبور نور، احتمالا ۱۰ درصد خواهد بود. علاوه بر این در آزمایشات انجام شده مشخص شد که سطوحی که از ساختارهای نانویی بهره می‌برند در مقایسه با روکش‌های ضدانعکاس، در برابر لیزرهای پر توان، مقاومت بسیار بیشتری دارند.
از دیگر کاربردهای عملی می‌توان به ساخت لنزها، عدسی‌ها یا صفحات لمسی پیشرفته‌تر اشاره کرد. سطوحی که از ساختارهای نانویی بهره می‌برند مزیت دیگری هم به ارمغان می‌آورند. در این رابطه دیائو این طور توضیح می‌دهد: ”این تکنیک نه تنها برای ساخت سطوح صاف مناسب است، بلکه امکان استفاده از آن در سطوح منحنی و خمیده هم وجود دارد. این امر برای لنز دوربین‌ها و میکروسکوپ‌ها فوق‌العاده مفید خواهید بود. البته قبل از این که این تکنیک بتواند بهبودی در عملکرد صفحات لمسی ایجاد کند باید به فکر راهکاری برای حل مشکل آلودگی توسط لمس انگشتان کاربر خواهد بود. آزمایش‌ها نشان داده‌ که لمس توسط انگشتان دست‌ اثرات مشهودی روی صفحه‌نمایش باقی می‌گذارد. بعد از گذشت مدت زمانی چند این امر موجب صدمه زدن به سطح صفحه‌نمایش شده و منجر به کاهش بسیار زیاد میزان عبوردهی نور خواهد شد. البته دانشمندان با استفاده از مقدار کمی الکل آزمایشگاهی قادر به پاک کردن آسان آلودگی‌‌ها از روی سطوح شیشه‌ای شدند ولی با این وجود باید به دنبال راهکار مناسب‌تری بود.