اعطای جایزه جهانی به کاشف ذره‌ای که دنیای فیزیک را متحول کرد

به گزارش هیچ یک ، در سال ۲۰۲۱، بنیاد علم و فناوری مصطفی(ص) جایزه خود را به پاس «پیشگامی در کشف مواد کوانتومی توپولوژیک و شناسایی تجربی فرمیون ویل» به پروفسور زاهد حسن اهدا کرد. این انتخاب، نه صرفاً تقدیر از یک کشف علمی، بلکه تجلیل از شیوه‌ای از پژوهش بود که زیبایی‌شناسی، جسارت علمی و جست‌وجوی بی‌وقفه حقیقت را به هم پیوند می‌زند.

حسن، می‌گوید پدیده‌های نوظهور در فیزیک توپولوژیک احتمالاً همه‌جا در اطراف ما هستند، حتی در یک تکه سنگ. شاید همین نگاه است که باعث شد او بتواند دنیای ذرات بنیادی را به دنیای مواد ملموس وصل کند و یکی از مهمترین درهای قرن بیست‌ویکم به سوی فناوری و فهم عمیق‌تر طبیعت را بگشاید.

پروفسور زاهد حسن، فیزیکدان برجسته دانشگاه پرینستون و کاشف فرمیون ویل، با دریافت جایزه مصطفی‌پرایز ۲۰۲۱ بار دیگر نام خود را در تاریخ علم ثبت کرد؛ دستاوردی که دنیای مواد کوانتومی توپولوژیک را به یک گام نزدیک‌تر به ابررساناهای پایدار و نسل آینده فناوری‌های محاسباتی می‌برد.

جهان پیرامون ما در نگاه سطحی، با «جدول تناوبی» مندلیف تبیین می‌شود؛ جدولی که ماده را از عناصر تشکیل‌دهنده‌اش تا پیچیده‌ترین ترکیبات دسته‌بندی می‌کند. اما این تنها نمایی ابتدایی از واقعیت است که در لایه‌های عمیق‌تر، علم فیزیک مدل کامل‌تری ارائه می‌کند؛ یعنی مدل استاندارد ذرات بنیادی، که هر آنچه می‌بینیم از کهکشان‌های عظیم تا کوچک‌ترین سلول زنده را روایت می‌کندـ .

ذرات بنیادی جهان به دو دسته تقسیم می‌شوند؛ «بوزون‌ها» که نقش حامل نیرو را دارند (فوتون، گلوئون و…)، و «فرمیون‌ها» که بنیان‌گذار ساختار ماده‌اند. اصل طرد پائولی، که می‌گوید دو فرمیون نمی‌توانند در یک حالت کوانتومی یکسان قرار گیرند، علت شکل‌گیری پوسته‌های الکترونی، مواد جامد، مولکول‌ها و در نهایت جهان پیچیده ماست. در این میان، گونه‌ای خاص از فرمیون‌ها وجود دارد که از حدود یک قرن پیش نظریه‌پردازان در پی آن بودند: فرمیون ویل، ذره‌ای بی‌جرم و کایرال که توان حرکت یک‌طرفه در «بزرگراه کوانتومی» را دارد و هیچ راه برگشتی برایش متصور نیست.

تا مدت‌ها محل زندگی این ذره فقط در قلمرو نظریه و شتاب‌دهنده‌های عظیم ذرات بنیادین فرض می‌شد، اما در سال ۲۰۱۵ پروفسور محمد زاهد حسن و گروهش در دانشگاه پرینستون با استفاده از طیف‌سنجی فوتوالکترونی زاویه‌ای، رد این فرمیون‌ها را در یک ماده جامد ــ نیمه‌فلز توپولوژیک تانتالیوم آرسنید (TaAs) ــ پیدا کردند. شناسایی قوس‌های فرمی و «مقاومت منفی مغناطیسی» در این ماده، جهان فیزیک را لرزاند و پلی میان فیزیک پرانرژی و فیزیک ماده چگال ساخت.

عایق توپولوژیک؛ جرقه انقلاب

دستاوردهای پرفسور حسن از یک سوءتفاهم علمی آغاز شده بود. حوالی سال ۲۰۰۷، او در حال مطالعه یک ماده ترموالکتریک حاوی بیسموت بود که در داده‌ها، انسدادی عجیب مشاهده کرد. آنچه ابتدا یک خطای تجربی تصور می‌شد، به کشف عایق توپولوژیک انجامید؛ ماده‌ای که در سطحش رسانا و در حجمش عایق است. این کشف آغازگر «انقلاب توپولوژیک» در فیزیک بود، انقلابی که توپولوژی ــ دانشی که روزگاری فقط با مثال روبان موبیوس شناخته می‌شد را به ابزاری کلیدی برای طراحی مواد با خواص فیزیکی بی‌سابقه بدل کرد.

حسن با اتکا به نظریه کوانتومی، فیزیک ذرات و ریاضیات پیچیده، نخستین نمونه واقعی این مواد را در سال ۲۰۰۸ با کریستال آنتیمونید بیسموت ساخت. این موفقیت، راه را برای ده‌ها کشف بعدی در حوزه مواد توپولوژیک باز کرد و نام او را در خط مقدم پژوهش‌های فیزیک ماده ثبت کرد.

پژوهش‌های وی «کشف‌محور» و هدفش گشودن درهای ناشناخته و یافتن پدیده‌های غیرمنتظره است، هرچند از دل این کشفیات به‌سرعت مسیرهای کاربردی نیز شکل می‌گیرد. او امروز به‌طور همزمان دو مسیر را پیش می‌برد: «دستیابی به مگنت توپولوژیک در دمای اتاق» و «ساخت ابررسانای توپولوژیک برای «برایدینگ کوانتومی» ــ فرآیندی کلیدی در رایانش کوانتومی».

با بیش از ۵۰ هزار ارجاع علمی، میراث علمی حسن نه‌تنها در آزمایشگاه که در آینده فناوری جهان قابل لمس خواهد بود؛ از تراشه‌های سریع‌تر، محاسبات کم‌اتلاف تا شبیه‌سازی پدیده‌های کیهانی چون سیاه‌چاله‌ها در محیط آزمایشگاهی.

زندگی، الهام، و مسیر علمی

محمد زاهد حسن، متولد ۱۹۷۱ در داکا، از کودکی با نیروی نامرئی ماجراجویی و پرسشگری درگیر بو. نخستین باری که این حس بیدار شد، بازی با یک قطب‌نما بود. وقتی دید سوزن آن با نیرویی دیده‌ نشده حرکت می‌کند، قطب‌نما را از هم باز کرد تا به راز آن پی ببرد. بعدها همین پرسشگری او را به سواحل، اقیانوس‌ها و سپس به مدارک دانشگاهی در رشته فیزیک رساند.

وی در دوره کارشناسی درس مکانیک کوانتومی را با استیون واینبرگ (برنده نوبل) گذراند و شیفته ریاضیات اسپین‌ها شد. در استنفورد، مسیرش به سمت فیزیک تجربی و پژوهش‌ چالش‌برانگیز ابررسانایی دمای بالا تغییر کرد، جایی که حتی پیش از پایان دکتری، هدایت یک همکاری بین‌المللی بزرگ را برعهده گرفت. از سال ۲۰۰۲ به پرینستون پیوست و در ۲۰۱۷ کرسی استادی یوجین هیگینز را دریافت کرد.