Real Time Web Analytics درهم تنیدگی مایع اسپین کوانتومی در انتظار تایید توسط روش های توپولوژیکی! | دیپ لوک

درهم تنیدگی مایع اسپین کوانتومی در انتظار تایید توسط روش های توپولوژیکی!

0

فیزیکدانان در یک کریستال عجیب و البته جدید، نشانه های مهمی از حرکت شبح وار اینشتین را مشاهده کردند. اگر نتایج این آزمایش، تایید شود، یعنی این کریستال، یک ماده جدید کمیاب است که می توان آن را یک مایع اسپین کوانتومی دانست. در حال حاضر، تعداد انگشت شماری از مواد، دارای این ویژگی عجیب هستند. این کریستال، یک سال پیش و برای اولین بار، سنتز شده بود. اما حالا گروه تحقیقاتی موریگال از موسسه فنی جورجیا، داده هایی تجربی تولید کرده اند که اثبات آنها احتمالا به ده سال زمان، نیاز خواهد داشت. مشاهدات موریگال و تیمش، دور روز پیش در ژورنال معتبر Nature Physics، منتشر شد. با دیپ لوک همراه باشید…

شاید وجود یک مایع درون یک شی جامد، برای شما هم، بسیار شگفت انگیز باشد؛ اما در مورد مکانیک کوانتومی، این اصلا تعجب آور نیست، زیرا کوانتوم، علم شگفتی هاست! لبته این هم تعجب آور نیست، چرا که مغز ما برای درک قوانین دنیای اتمی، تکامل کافی نیافته است! به همین دلیل است که بسیاری از قوانین فیزیک کوانتومی، عجیب و گاه خنده دار به نظر می رسد. مکانیک کوانتومی به نوعی بازی فکری در دنیای علم، تبدیل شده است.

درهم تنیدگی در مایع اسپین

قلب این پژوهش، درهم تنیدگی کوانتومی کریستال ایتربیم است. همانطور که میدانید در حالت درهم تنیدگی، دو ذره مثلا دو الکترونی که درهم تنیده می شوند، با وجود فاصله زیادی که از یکدیگر دارند، به صورت متحد عمل می کنند؛ به طوری که رفتار یک ذره، روی دیگری، اثر می گذارد. این نظریه در ابتدا، حتی برای پدر علم نسبیت، یعنی آلبرت اینشتین، آنقدر عجیب بود که آن را به عنوان “حرکت شبح وار در فاصله دور” توصیف کرد. درهم تنیدگی تاکنون در آزمایش های زیادی، اثبات شده که تازه ترین آنها را دیپ لوک، پوشش داده ایم؛ اما حالا دانشمندان، خیلی جلوتر رفته اند: آنها درهم تنیدگی را در کریستال سنتز شده ترکیب ایتربیم با فرمول YbMgGaO4 مشاهده کرده اند که یک مایع اسپین کوانتومی است.

رویای کامپیوتر کوانتومی

درهم تنیدگی، باعث می شود سیستمی از الکترون ها، تبدیل به یک مایع اسپین کوانتومی شوند. البته مایع اسپین به معنای مایعی که ما می شناسیم (مثل آب) نیست؛ در اینجا منظور از مایع، ماهیت مشارکتی اسپین الکترون ها در این کریستال است. در یک مایع اسپین کوانتومی، جهت اسپین ها، مرتب نیست، بلکه نامنظم است، این در حالیست که در یک جامد اسپینی، جهت اسپین ها دارای نظم مشخصی است. اگر این کشف درست باشد، درهای تازه ای برای کشف صدها مایع کوانتومی ناشناخته، باز خواهد شد. فیزیکدانان می گویند طبق نظریه و معادلات ریاضی، باید چنین موادی، وجود داشته باشند. در آینده دور و به کمک جاروی جادویی که در دست مهندسان کامپیوتر قرار دارد، این مواد کوانتومی جدید با استانداردهای امروزی، ساخته خواهند شد.

آیا کریستال ایتربیم، موفق می شود؟

کریستال ایتربیم، برای نخستین بار یکسال پیش و در چین سنتز شد. دولت چین، امیدهای زیادی برای تولید مواد کوانتومی سنتزی با ویژگی های عجیب دارد. به نظر می رسد آنها در حال موفقیت و رسیدن به امیدهایشان هستند. حالتی از ماده را تصور کنید که درهم تنیدگی نه فقط برای دو الکترون، بلکه برای سه، پنج، ده یا میلیارد ذره ایجاد شود؛ در اینصورت می توانید حالت های بسیار بسیار عجیبی از ماده را به دلیل این درهم تنیدگی وسیع بسازید. هیچ ذره جداگانه ای وجود ندارد، بلکه مجموعه بزرگی از الکترون هایی وجود دارد که به طور مشارکتی رفتار می کنند.

مایع اسپین کوانتومی
توصیف هنری اسپین های الکترون در شبکه بلوری ایتربیم در فازهای متفاوت آزمایش که نشانه های قوی از مایع اسپین کوانتومی در دماهای نزدیک صفر مطلق، نشان می دهد

یکی از تنها مایعات اسپین کوانتومی که قبلا در یک کریستال طبیعی موسوم به هربرت اسمیتاید (herbertsmithite)، کشف شده بود، یک سنگ زمرد سبز است که در سال ۱۹۷۲ در معدنی در شیلی، پیدا شد و به افتخار معدن شناس هربرت اسمیت به این نام، نامیده شد. محققان در سال ۲۰۱۲ و پس از آنکه دانشمندان MIT موفق به بازتولید تکه خالصی از این کریستال در آزمایشگاه خود شدند، ماهیت مایع اسپین آن را مشاهده کردند.

دایره المعارف مایع اسپین

این کشف اولیه، هنوز ابتدای ادیسه مایع اسپین بود. هربرت اسمیتاید به دلیل آرایش شیمیایی اش، فقط یک طرح درهم تنیدگی را تولید می کرد؛ در حالیکه ریاضی فیزیک می گوید که باید هزاران درهم تنیدگی وحود داشته باشد. کشف هربرت اسمیتاید مثل این بود که بگوییم حیوانات وجود دارند؛ اما گونه های بسیار زیادی از حیوانات،مانند پستاندران، ماهی ها، خزندگان و پرندگان وجود دارند. در واقع اینجا هم ما فقط یک گونه را پیدا کرده ایم و باید به دنبال گونه های دیگر مایع اسپینی باشیم. هرچه فیزیکدانان تجربی، گونه های بیشتر مایع اسپین کوانتومی را تایید کنند، فیزیکدانان نظری بیشتر می توانند ذهن خود را درگیر بازی با فیزیک کوانتومی کنند. در نتیجه می توانیم یک دایره المعارف از مایعات اسپینی بسازیم!

مایع اسپین کوانتومی
بلور کوچک YbMgGaO4 که در چین تولید شد. اینجا بلور روی پایه مورد نظر برای آزمایش قرار گرفته است.

آزمایش ایتربیم

فیزیکدانان موفق شدند کریستال ایتربیم اولیه را تولید کنند و موریگال، آن را تا دمای ۲۷۳٫۰۹- درجه سانتیگراد (یا ۰٫۰۶ کلوین) سرد کرده و آزمایش کرد. سرمایش باعث آهسته کردن حرکات طبیعی اتم ها شده و به محققان اجازه می داد رقص اسپینی الکترون را حول اتم های ایتربیم در کریستال bMgGaO4 مشاهده کنند. آنها از یک آهنربای ابررسانای قدرتمند برای مرتب کردن اسپین ها و نقطه شروعی برای مشاهداتشان استفاده کردند؛ سپس میدان مغناطیسی را حذف کرده و به اتم ها اجازه دادند تا به حرکت طبیعی خود بازگردند.

مایع اسپین کوانتومی
چشمه نوترونی در آزمایشکاه ملی اوک ریج در حال ساخت.حفره مرکزی، جاییست که کریستال برای بمباران نوترونی در آن قرار می گیرد

محققان انتظار داشتند با تلنگر خوردن به اسپین یک الکترون، یک واکنش زنجیری به صورت یک موج در طول کریستال، ایجاد شود: درست مانند موج های مکزیکی که تماشاگران فوتبال در استادیوم پر از تماشاگر (مثلا ال کلاسیکوی چند روز پیش!)، درست می کنند. اما قضیه در همان حد ساده نیست! اینجا به دلیل درهم تنیدگی و مشارکتی بودن اسپین ها، اتفاق بسیار عجیبی رخ می دهد: این موج درهم تنیده به امواج دیگر، شکسته می شود. در واقع این موج، تداومی از برانگیختگی ها بود، اما در طول بسیاری از الکترون ها، فورا شکسته شد. این اتفاق، شبیه به چیزی بود که در مورد هربرت اسمیتاید مشاهده شده بود.

جایزه نوبل و باز دونات توپولوژیکی!

برای تصدیق مشاهداتی که توسط تیم موریگان انجام شده، فیزیکدانان نظری محبور خواهند بود تا داده ها را با روش های توپولوژیکی، تحلیل کنند. همانطور که می دانید دونات های توپولوژیکی، موضوع جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۶ بود. موریگال می گوید:

این ماده در همان ابتدا فریاد می زد: من یک مایع اسپین کوانتومی هستم.

اما این کافی نیست و این ماده باید تحت دقیق ترین آزمون های ریاضی قرار بگیرد. فیزیکدانان نظری، باید داده ها را با استفاده از روش های توپولوژیکی بررسی کرده و تایید کنند که آیا این کریستال، یک مایع اسپین کوانتومی است یا نه؟ باوحود اینکه به نظر می رسد ذرات درهم تنیده می توانند فضا و زمان را تحریک کنند، اما متقابلا شکل فضا نیز بر ماهیت الگوی درهم تنیدگی، اثر می گذارد!!

دانلود مقاله اصلی به صورت PDF

زاده‌ی اردیبهشت ۶۹ و دانشجوی دکترای شیمی کوانتوم محاسباتی در دانشگاه شهید بهشتی است.او علاقمند به دنیای کوانتوم، تکنولوژی، فوتبال و موسیقی بوده و علاوه بر سردبیری دیپ لوک، به طراحی وب و نویسندگی در گجت نیوز، بیگ تم و ماهنامه GB جی اس ام مشغول است.

ارسال نظر

*