دانشمندان فاز کوانتومی شگفت و غریبی را مشاهده کردند که وقتی غیرممکن به نظر می رسید_بام وطن

 تیمی از محققان دانشگاه رایس اولین مشاهده مستقیم یک اتفاق کوانتومی شگفت‌انگیز را گزارش کردند که بیشتر از نیم قرن پیش پیش‌بینی شده می بود و مسیر‌هایی را برای کاربرد‌های انقلابی در محاسبات کوانتومی، ارتباطات و سنجش باز کرد.

این اتفاق که به گفتن انتقال فاز ابرتابشی (SRPT) شناخته می‌شود، وقتی رخ می‌دهد که دو گروه از ذرات کوانتومی اغاز به نوسان در یک روش هماهنگ و جمعی بدون هیچ محرک خارجی می‌کنند و حالت جدیدی از ماده را راه اندازی خواهند داد. بر پایه مطالعه انتشار شده در Science Advances، این کشف در کریستالی متشکل از اربیوم، آهن و اکسیژن انجام شد که تا منفی ۴۵۷ فارنهایت خنک شد و در معرض یک میدان مغناطیسی قوی تا ۷ تسلا (بیشتر از ۱۰۰۰۰۰ برابر نیرومندتر از میدان مغناطیسی زمین) می بود.

داسوم کیم، دانشجوی دکترای رایس در برنامه فارغ التحصیل فیزیک کاربردی که نویسنده مهم این مطالعه است، او گفت: «در ابتدا، SRPT ناشی از برهمکنش‌های بین نوسانات خلاء کوانتومی – میدان‌های نور کوانتومی که به طور طبیعی حتی در فضای کاملا خالی وجود دارند – و نوسانات ماده تشکیل می‌شود.» با این حال، در کارمان، ما این انتقال را با جفت کردن دو زیرسیستم مغناطیسی نزدیک فهمیدن کردیم – نوسانات اسپین یون‌های آهن و یون‌های اربیوم در کریستال.

اسپین قطب‌های مغناطیسی الکترون‌ها یا ذرات دیگر را توصیف می‌کند و می‌توان آن را به گفتن یک فلش کوچک متصل به هر ذره فکر کرد که دائماً می‌چرخد و در جهت معینی قرار می‌گیرد. هنگامی که اسپین‌ها در یک راستا قرار می‌گیرند، الگو‌های مغناطیسی در سراسر یک ماده تشکیل می‌کنند. هنگامی که الگوی چرخش‌ها همانند یک موج در سراسر ماده موج می‌زند، برانگیختگی جمعی حاصل به گفتن ماگنون شناخته می‌شود.

تا پیش از این، این که آیا یک SRPT می‌تواند واقعاً انجام شود یا نه، نوشته او گفت و گو می بود، چون با محدودیتی – که در فیزیک نظری «قضیه ممنوعه رفتن» نامیده می‌شود – در سیستم‌های مبتنی بر نور وجود دارد. با قرار دادن یک SRPT در یک کریستال مغناطیسی بر پایه برهمکنش بین دو زیرسیستم اسپین، محققان توانستند این مانع را دور بزنند و یک نسخه مغناطیسی از این اتفاق تشکیل کنند. به طور خاص، مگنون‌های یون آهن نقشی را ایفا می‌کنند که به طور سنتی به نوسانات خلاء نسبت داده می‌شود، و اسپین‌های یون‌های اربیوم نوسانات ماده را نشان خواهند داد.

محققان با منفعت گیری از تکنیک‌های طیف‌سنجی پیشرفته، نشانه‌های غیرقابل تکذیب یک SRPT را مشاهده کردند که سیگنال انرژی یک حالت چرخشی ناپدید می‌شد و فرد دیگر تحول یا پیچ خوردگی آشکار را نشان می‌داد. این تاثییر انگشت‌های طیفی دقیقاً مطابق با آنچه تئوری برای ورود به فاز ابرتابشی پیش‌بینی می‌کند، مطابقت دارد و به تیم مطمعن بسیاری می‌دهد که واقعاً حالتی را که زمان‌ها به جستوجو آن بوده‌اند، تشکیل کرده‌اند.

کیم او گفت: ما یک جفت زیاد قوی بین این دو سیستم چرخشی تشکیل کردیم و یک SRPT را با پیروزی مشاهده کردیم و بر محدودیت‌های تجربی قبلی تسلط کردیم. 

محققان نه تنها به این علت که پیش‌بینی فیزیک ۵۰ ساله قبول شده است، بلکه به علت این که این پیش‌بینی برای فناوری کوانتومی چه معنایی دارد، شوق‌زده می باشند. حالت‌های کوانتومی جمعی در SRPT دارای ویژگی‌های منحصربه‌فردی می باشند که می‌توان از آنها برای فناوری‌های کوانتومی نسل بعدی منفعت گیری کرد.

کیم او گفت: نزدیک به نقطه بحرانی کوانتومی این انتقال، سیستم به طور طبیعی حالت‌های فشرده کوانتومی را تثبیت می‌کند – جایی که نویز کوانتومی به شدت افت می‌یابد – و دقت اندازه گیری را تا حد بسیاری افزایش می‌دهد. ” به طور کلی، این بینش می‌تواند حسگر‌های کوانتومی و فن‌آوری‌های محاسباتی را منقلب کند و وفاداری، حساسیت و کارکرد آنها را به طور قابل توجهی ارتقا دهد.»

سهیل داسگوپتا، دانشجوی فارغ التحصیل رایس که با کادن هازارد، دانشیار فیزیک و نجوم کار می‌کند، به طور نظری SRPT را مدلسازی کرد و بر پایه مدلی ساخته شد که توسط همکار و نویسنده همکار آنها موتوآکی بامبا، استاد دانشگاه ملی یوکوهاما، ساخته شد.

داسگوپتا او گفت: “اگرچه مدل پایه ریاضی قبلاً توسط موتوآکی اراعه شده می بود، ما نیاز داشتیم برخی از خواص مغناطیسی خاص ماده را برای به دست آوردن نتایج دقیق در نظر بگیریم. هنگامی نظریه شما با داده‌های تجربی مطابقت دارد – که به ندرت اتفاق می‌افتد – این بهترین حس برای یک دانشمند است. “

هازارد او گفت این دستاورد مشخص می کند که مفاهیم اپتیک کوانتومی را می‌توان به مواد جامد ترجمه کرد.

هازارد او گفت: این راه جدیدی را برای تشکیل و کنترل فاز‌های ماده با منفعت گیری از ایده‌های الکترودینامیک کوانتومی حفره باز می‌کند.

علاوه بر این، کریستال مورد منفعت گیری در این مطالعه مثالای از کلاس گسترده‌تری از مواد است، به این معنی که این تحقیق راه را برای کاوش اتفاق‌های کوانتومی در مواد دیگر با اجزای مغناطیسی شبیه هموار می‌کند.

Junichiro Kono، پروفسور Karl F. Hasselmann، پروفسور مهندسی برق و مهندسی مواد و پروفسور مهندسی علم کامپیوتر، می‌گوید: «نمایش شکلی از SRPT که به طور کامل با جفت کردن دو نوسانات ماده داخلی هدایت می‌شود، یک پیشرفت مهم در فیزیک کوانتومی تشکیل می‌کند و چارچوب جدیدی را برای فهمیدن و منفعت‌برداری از فعل و انفعالات کوانتومی درونی در مواد تشکیل می‌کند. نویسنده مسئول مطالعه این تحقیق توسط دفتر تحقیقات ارتش ایالات متحده (W۹۱۱NF۲۱۱۰۱۵۷)، بنیاد گوردون و بتی مور (۱۱۵۲۰)، بنیاد رابرت‌ای. (JPJSJRP۲۰۲۲۱۲۰۲، JP۲۴K۲۱۵۲۶)، بنیاد تحقیقات علوم و فناوری بینایی، وزارت انرژی ایالات متحده (DE-AC۰۲-۰۷CH۱۱۳۵۸) و بنیاد ملی علوم چین (۱۲۳۷۴۱۱۶). مسئولیت محتوا فقطً بر مسئولیت نویسندگان است و لزوماً بیانگر دیدگاه‌های رسمی مؤسسات فراهم مالی نیست.