قطرات هلیوم و ذرات طلا راز یک معمای قدیمی ریاضی را فاش کردند

هنگامی که بارهای الکتریکی یکسان یکدیگر را دفع می کنند اما به سطح یک کره محدود می شوند، به دنبال کمترین پیکربندی انرژی ممکن هستند. این ایده ساده به نظر می رسد، اما با اضافه شدن هر بار جدید، حل مشکل دشوارتر می شود.

این مشکل که به عنوان مشکل تامسون شناخته می شود، به سال 1904 و مدل اتمی پودینگ کشمشی برمی گردد. مدلی که در آن سال توسط جوزف جان تامسون برنده جایزه نوبل پیشنهاد شد. اگرچه این مدل اتمی مدت هاست که کنار گذاشته شده است، اما مشکل ریاضی مرتبط با آن همچنان باقی است.

ذرات طلا به عنوان شاخص

محققان دپارتمان فیزیک یون و فیزیک کاربردی دانشگاه اینسبروک، به رهبری پل شایر، اکنون این مسئله بهینه سازی انتزاعی را در یک محیط آزمایشگاهی بررسی کرده اند. آنها قطرات نانومتری هلیوم ابر سیال را در دمای تنها چند دهم درجه بالای صفر مطلق تولید می کنند و با استفاده از پرتو الکترونی چندین بار الکتریکی به آنها اضافه می کنند.

بارهای الکتریکی به سطح قطرات حرکت می کنند و تقریباً بدون مزاحمت در آنجا قرار می گیرند. سپس قطرات از بخار طلا عبور داده می شود. اتم های طلا به مراکز بار الکتریکی متصل می شوند و نانوذرات با بار مثبت متشکل از حدود 700 اتم طلا تشکیل می شوند.

شایر گفت:

قطرات نانومتری هلیوم ابرسیال، محیطی بسیار تمیز و سرد را برای ما فراهم می کند که در آن چندین هزار بار الکتریکی می توانند خود را روی یک سطح منحنی با کمترین اختلال خارجی سازماندهی کنند.

هنگامی که قطرات بر روی یک شبکه میکروسکوپ الکترونی عبوری قرار می گیرند، هلیوم تبخیر می شود و ذرات طلا به عنوان اثری از آرایش اولیه بارهای الکتریکی باقی می مانند. شایر در توضیح این روش گفت:

با علامت گذاری مراکز بار الکتریکی به کمک نانوذرات طلا می توان این آرایش ها را حفظ کرد و پس از تبخیر هلیوم از آنها تصویربرداری کرد.

تیمی از دانشگاه اینسبروک 25 اثر باقی مانده از این قطرات را بررسی کردند که هر کدام بین 5 تا 36 بار الکتریکی داشتند. الگوهای مشاهده شده در تطابق نزدیک با کمترین پیکربندی انرژی پیش بینی شده توسط محاسبات نظری بودند.

در قطرات بزرگتر با شعاع نزدیک به یک میکرومتر، تصویر متفاوتی دیده می شود. ذرات طلا یک شبکه شش ضلعی را تشکیل می‌دهند که در بخش‌هایی با عیوب پنج‌گانه مشخص قطع می‌شود. وجود این عیوب ضروری است زیرا الگوی شش ضلعی مسطح نمی تواند کل سطح منحنی را بدون ایجاد شکاف پوشش دهد. درست مثل پنج ضلعی های روی توپ فوتبال. شایر گفت:

این روش یک روش آزمایشی جدید برای بررسی چگونگی تغییر ترتیب بارهای الکتریکی ارائه می دهد. از چیدمان های کوچک و خاص گرفته تا سیستم های بسیار بزرگتر روی سطوح منحنی.

شنگفو یانگ، یکی از همکاران این تحقیق از دانشگاه لستر نیز افزود:

آنچه برای من هیجان انگیزتر است، وارونگی رابطه معمول بین تئوری و آزمایش است. به جای اینکه ریاضیات صرفاً آنچه را آزمایش نشان می دهد پیش بینی کند، اکنون می توانیم به طبیعت اجازه دهیم راه حل ها را ایجاد کند و سپس از ریاضیات بخواهیم آنچه را که مشاهده می کنیم توضیح دهد.

محققان قصد دارند این روش را بیشتر بهبود بخشند. حرکت کندتر قطرات می تواند از اعوجاج در الگوهای ثبت شده، حتی در تعداد بارهای الکتریکی زیاد، جلوگیری کند. همچنین، از آنجایی که قطرات هلیوم در حال چرخش می‌توانند اشکال غیرکرویی به خود بگیرند، این روش ممکن است امکان بررسی آرایش بارهای الکتریکی روی سطوح منحنی پیچیده‌تر را نیز فراهم کند.

نتایج این تحقیق در مجله علمی Physical Review Letters منتشر شده است.