مشاهده حالت جدید از ماده در ماده‌ای غیر مرتبط

ولی امروزه یک تیم از فیزیکدانان ابراز کردند که اسپین کوانتومی مایع را دوباره مشاهده کرده‌اند؛ اما این بار در ماده‌ای که وجودش غیرممکن بود. این اکتشاف می‌تواند درک ما را از چگونگی محاسبات کوانتومی تغییر دهد.


به گزارش بولتن نیوز، کریسشن بالز از موسسه ماده و انرژی هلمهولتز-زنتروم برلین در آلمان معتقد است: "ما به صورت تجربی اثبات کرده‌ایم که حالت کوانتومی مانند اسپین مایع می‌تواند به طور قابل ملاحظه‌ای در بلورهایی پیچیده با ساختارهایی متفاوت از فعل و انفعالات مغناطیسی پدیدار شود.”

این کشف می‌تواند زمینه‌ی پیشرفت محاسبات کوانتومی در آینده را فراهم سازد، چون اسپین مایع یکی از مواد سازنده ممکن دربرگیرنده بسته‌های کوچک اطلاعات کوانتومی به نام کیوبیت باشد که این نام توسط بلا لیک یکی از محققان عالی رتبه انتخاب شده است.

اگر این مطالب کمی گیج کننده است، بیایید کمی به عقب بازگردیم.

اسپین(چرخش) در دنیای کوانتوم به این معنا نیست که یک الکترون به طور فیزیکی در حال چرخش است. این مربوط به نوع اندازه حرکت زاویه‌ای ذاتی است که به سادگی رفتار الکترون را توضیح می‌دهد. در محاسبات کوانتومی ما معمولا وضعیت اسپین را با گفتن بالا یا پایین بودن و یا حالت برهم نهی (یعنی هم زمان در هر دو حالت وجود دارد)، توضیح می‌دهیم.

اسپین کوانتومی مایع حالتی از ماده است که به سادگی اتفاق می‌افتد، زمانی که اسپین الکترون‌ها در حالت مایع به نوسان خود حتی در دماهای پایین ادامه می‌دهد، در صورتی که باید منجمد شوند.

این رفتار مانند اتم‌های داخل مواد عادی هستند. وقتی به صورت مایع هستند، آزادانه حرکت می‌کنند. ولی زمانی که دما کاهش می‌یابد، در اثر منجمد شدن به حالت جامد درمی‌آیند. این فرآیند باید برای جهت‌گیری اسپین در مواد مغناطیسی نیز اتفاق بیفتد، ولی در اسپین کوانتومی مایع چنین چیزی رخ نمی‌دهد.

اگرچه این فرآیند در سال ۱۹۷۳ پیش بینی شده بود، امسال برای اولین بار حالت جدید ماده در ماده‌ای گرافن مانند دو بعدی مشاهده شده است. این اکتشاف بسیار هائز اهمیت است، زیرا به درک ما از نحوه‌ی شکل‌گیری اسپین مایع کمک می‌کند. به طور اساسی، مواد باید دارای فعل و انفعالات پاد-فرومغناطیس – یا آنتی پارالل – باشند، و همان طور که از نامش پیداست، خاصیتش برعکس تعاملات فرومغناطیسی در موادی مانند آهن و نیکل است. این بدین معناست که اگر الکترونی اسپینی به سمت پایین داشته باشد، الکترونی که در کنار آن قرار دارد باید اسپینش به سمت پایین باشد و سایر الکترون‌ها نیز به همین ترتیب قرار می‌گیرند.

مواد آنتی فرومغناطیس لزوما خود به خود به حالت اسپین کوانتومی مایع درنمی‌آیند، مگر آرایش اتم‌ها به صورت مثلثی باشد که غیرممکن به نظر می‌آید.

برای درک بهتر سه اتم را در گوشه‌های یک مثلث درنظر بگیرید – آنها هیچ‌گاه در یک راستا قرار نمی‌گیرند زیرا وقتی یکی بخواهد در کنار اتم سمت راست خود قرار بگیرد، مکان اتم سمت چپ آن باید تغییر کند و بقیه تغییرات نیز به همین صورت حتی در دمای صفر مطلق نیز انجام می شود –  یعنی حالتی که اسپین کوانتومی مایع وجود دارد.

تحقیقات جدید نشان می‌دهد که معیارهای انتخابی ما درست نیستند، زیرا این تیم آلمانی توانستند حالت جدیدی از ماده را در ماده‌ای پیدا کنند که با دانسته‌های ما متفاوت بود. این ماده تک کریستال کلسیم کرومیوم اکسید (Ca10Cr7O28) است.

این ماده از شبکه کاگومه تشکیل شده و دلیل نام‌گذاری آن نیز شباهت بسیار زیاد آن به بافت‌های مثلثی و سبدهای شش ضلعی رایج در ژاپن است.  این بدین معناست که این ماده مخلوطی پیچیده از تعاملات پاد-فرومغناطیس است، ولی براساس درک رایج حالت اسپین کوانتومی مایع نباید در آن شکل بگیرد.

ولی در محدوده‌ای از آزمایشاتِ پراکندگی و طیف سنجی در آلمان، فرانسه، انگلیس، سوئیس و آمریکا، این تیم موفق شد تا نشان دهد که حالت اسپین کوانتومی مایع حتی در دمای بیست میلی کلوین (تقریبا -۲۷۳ درجه سلسیوس) نیز رخ می‌دهد.

چه اتفاقی در حال رخ دادن است؟ خوشبختانه، این تیم فرضیه‌ای را مطرح کرده است که به درک رایج از این حالت ماده لطمه نزند و همچنین چگونگی وجود حالت اسپین کوانتومی مایع را در این ماده توضیح می‌دهد.‌ این تیم با استفاده از شبیه سازی عددی، مقایسه نمودن را کلید رفتارهای عجیب دانستند – تعاملات مغناطیسی در مواد با یکدیگر متفاوت است و باعث تغییر جهت اسپین می‌شود.

شما می‌توانید این اتفاق را در مثال زیر ببینید، که این تعاملات متفاوت اتم‌ها (گوی‌های طوسی و مشکی) را بر یکدیگر نشان می‌دهد. میله‌های قرمز و سبز بیانگر تعاملات فرومغناطیس است، در حالی که میله‌های آبی بیانگر تعاملات پاد-فرومغناطیس است، که باعث تغییرات اجباری در اسپین می‌شود.


لیک معتقد است: "این پروژه درک ما را از مواد مغناطیسی گسترش داد، و همچنین نشان داد مواد بسیاری هستند که این حالت در آنها به وجود بیاید.”

نتایج این پژوهش در Nature Physics به چاپ رسیده است، و نیاز به بررسی بیشتر، پیش از این که با اطمینان کامل بگوییم حالت اسپین کوانتومی مایع در این مواد جدید وجود دارد، توسط تیم‌های دیگر دارد.

اما در آخر باید اشاره کرد، این یک پروژه بسیار جالب است که ما می‌توانیم دریایی از مواد مختلف را در آینده برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی مورد مطالعه قرار دهیم. ما بی صبرانه منتظر نتایج این پروژه هستیم.