نور چیست؟ به نظر یک سؤال ساده می‌آید؛ اما قرن‌هاست که بزرگ‌ترین ذهن‌های علمی را به خود مشغول کرده است. در یک همکاری پژوهشی با دانشمندان مؤسسه‌ی علم و فناوری دانشگاه اوکیناوا(OIST) نظریه‌ای در مورد خواص کوانتومی آهنرباها ارائه شده است که به یک فرضیه‌ی قابل تست در مورد یک نوع جدید نور می‌پردازد.

از زمانی که ایزاک نیوتون در سال ۱۶۷۲ نور را از طریق منشور منتشر کرد، دانشمندان بر سر این که نور از ذرات یا موج تشکیل شده اختلاف پیدا کردند. همانطور که از ذرات انتظار می‌رود، به نظر می‌رسد نور هم در مسیرهای مستقیم حرکت کند، اما آزمایش‌های نیوتون نشان دادند نور مثل امواج صوتی دارای فرکانس و طول موج است.

کریستال‌های یخ اسپین کوانتومی Pr2Hf2O7 که در این بررسی به کار رفته‌اند.

تقریبا ۲۰۰ سال بعد، فیزیک‌دان اسکاتلندی به نام جیمز کلرک مکس ول، توانست به بخشی از این سؤال پاسخ دهد، او فهمید نور از میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی متناوب تشکیل شده است. در نهایت در قرن بیستم و در آزمایش‌های اینشتین این نتیجه به دست آمد که نور از ذرات بنیادی به نام فوتونتشکیل شده است و رفتار آن‌ مشابه ذرات و امواج است. این کشف الهام‌بخش علم جدید مکانیک کوانتومی شد که در سطح اتمی و زیراتمی به توصیف رفتار ماده و انرژی می‌پردازد.

در اواخر قرن بیستم فیزیک‌دان‌ها به بررسی پدیده‌ای به نام emergence یا پدیداری پرداختند. همان‌طور که رفتار گروه‌های بزرگی از مردم با رفتار تک‌تک اعضای گروه متفاوت است، این پدیده هم نشان می‌دهد که ذرات می‌توانند در گروه‌های بزرگ‌تر رفتارهای غیرمنتظره‌ای را از خود نشان دهند این رفتارهای غیرمنتظره می‌توانند از قوانین جدید فیزیکی پرده بردارند یا زمینه‌ای جدید برای قوانین قدیمی به وجود بیاورند؛ اما در نهایت این سؤال مطرح می‌شود: آیا نور ظاهرشونده یا پدیدارشونده وجود دارد؟

پروژه‌ی پروفسور نیک شانون و همکاران او در سوئیس و ایالات متحده متمرکز بر یک گروه عجیب از سیستم‌های مغناطیسی به نام یخ اسپینی است، این ماده که از شکل‌های متداول مرتبه‌ی مغناطیسی می‌گریزد، پنجره‌ای جدید به‌سمت دنیای کوانتوم باز کرده است.

در مواد مغناطیسی معمولی مثل آهنربای یخچال، اتم‌های مغناطیسی یک میدان مغناطیسی کوچک را ایجاد کرده و برای ساخت میدان‌های مغناطیسی بزرگ‌تر با یکدیگر همکاری می‌کنند در نتیجه آهنربا می‌تواند اجزای فلزی را به خود جذب کند. این اتفاق به این دلیل رخ می‌دهد که میدان‌های مغناطیسی کوچک بر اساس مرتبه‌ی مغناطیسی با اتم‌های مختلف در ارتباط هستند بنابراین در یک جهت قرار می‌گیرند. با این حال، در یخ اسپینی، اتم‌ها به صورت مغناطیسی مرتب نمی‌شوند بلکه برای تولید یکمیدان مغناطیسی متناوب در مقیاس اتمی با یکدیگر همکاری می‌کنند.

اخیرا دانشمندان به این نتیجه رسیده‌اند که آثار کوانتومی در دماهای پائین می‌توانند منجر به تولید یک میدان الکتریکی پدیدارشونده در یخ اسپینی شوند که نتیجه‌ی فوق‌العاده‌ای را به دنبال دارد: میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی پدیدارشونده برای تولید القاهای مغناطیسی که درست مثل فوتون‌های نوری رفتار می‌کنند، با یکدیگر ترکیب می‌شوند. به‌گفته‌ی پروفسور شانون:

رفتار آن درست مثل نور است اما نمی‌توانید با چشم آن را ببینید. فرض کنید کریستال یخ اسپینی مثل جهان کوچکی باشد که قوانین طبیعی خود را دارد و شما از بیرون به آن نگاه می‌کنید. چطور می‌توانید به اتفاقات داخل آن پی ببرید.

نمایش تئوری گرافیکی پراکندگی نوترونی در یخ اسپینی کوانتومی. به نقاط دستگیره‌ای دقت کنید، یک الگوی گره کراواتی از بازتاب نوترونی به وجود آمده است.

در سال ۲۰۱۲، پروفسور شانون و یکی از دانشجویان دکترای او، اوون بنتون از طریق نوسان نوترونی خارج از اتم‌های مغناطیسی داخل کریستال، روشی برای کشف نور داخل یخ اسپین کوانتومی ارائه کردند. آن‌ها در کریستال‌ها شاهد یک اثر اختصاصی در روش جذب انرژی نوترون‌ها بودند که علامتی برای وجود الکترودینامیک‌های پدیدارشونده‌ی یخ اسپین کوانتومی بود. مؤلفه‌ها در یکی از مقالات مجله‌ی Nature Physics معرفی شده، گزارش‌ کرده‌اند که این اثر در ماده‌ای به نام پرازئودیمیم هافنات (Pr2Hf2O7)هم مشاهده شده است.

یافتن آثار نور پدیدارشونده در یک ماده‌ی واقعی بسیار چالش‌برانگیز است و مستلزم کار با کریستال‌های تمیز و بی‌نقص در دماهای پائین مثل ۵۰ میلی‌کلوین (کمتر از یک‌دهم درجه بالای صفر مطلق) است. یک تیم پژوهشی با رهبری دکتر رومین سیبیل از مؤسسه‌ی پاول شرر (PSI) در سوئیس در یک پژوهش مشترک با دانشگاه وارویک بریتانیا برای تست این فرضیه به بررسی کریستال بی‌نقص از مواد یخ اسپین کوانتومی پرداخت.

سیبیل برای استفاده از طیف‌سنج‌های نوترونی این کریستال را به مؤسسه‌ی اروپایی لاو لانگوین (ILL) در گرنوبل فرانسه و همچنین آزمایشگاه ملی اوک ریج (ORNL) برد. تیم سیبیل در یک آزمایش به شدت چالشی از یک آرایه‌ی ۹۶۰ تایی آینه‌های بزرگ با پوشش آهنی، کبالت و آلیاژ‌های وانادیوم استفاده کرد که انواع مختلف نوترون‌ها را منعکس می‌کردند، این فرآیند در مؤسسه‌ی PSI هم توسعه یافته و از واسطه‌ی HYPSEC برای دستیابی به یک تحلیل سه‌بعدی از الگوهای بازتاب استفاده کرد.

این آزمایش همراه با نگاشت دقیق نوترون‌های پراکنده با استفاده از واسطه‌ی ILL امکان اندازه‌گیریپلاریزاسیون (قطبی‌سازی) ذرات پراکنده و نگاشت آثار انرژی آن ذرات را فراهم می‌کند. نظریه‌ی دکتر بنتون و پروفسور شانون شباهت عجیبی با نگاشت‌های آزمایشگاهی انرژی دارد. نمایش گرافیکی بازتاب نوترونی نقاطی موسوم به گیره را نمایش می‌داد که ویژگی‌های اختصاصی یخ اسپینی کوانتومی هستند. وقتی یخ اسپینی در دماهای پایین اسکن شد، نقاط گیره‌ای با آزاد کردن نور پدیدارشونده ناپدید شدند.

یان هم روی این نظریه کار کرد و برای تعیین سرعت نور پدیدارشونده به تحلیل داده‌های آزمایشگاهی پرداخت (میانگین ۳.۶ متر بر ثانیه که برابر با چهار ساعت دویدن یک شخص در ماراتون است). فوتون‌های نور طبیعی (نور آفتاب) می‌توانند همین مسافت را در کمتر از یک‌هزارم ثانیه طی کنند. به گفته‌ی هان

شگفت‌انگیز است؛ این ماده مثل یک جهان کوچک رفتار می‌کند و ذرات نوری و باردار خود را دارد.

 به گفته‌ی شانون در حال حاضر بدون تکیه بر مکانیک کوانتومی هیچ روشی برای توصیف این نتایج وجود ندارد؛ بنابراین تنها نتیجه‌ی قابل مشاهده نور پدیدارشونده است.