حالت جدیدی از ماده به نام مایع اسپین کوانتومی در مواد دو بعدی کشف شد!

2

تیمی بین المللی از محققان، موفق شدند حالت جدیدی از ماده به نام مایع اسپین کوانتومی را که برای اولین بار، ۴۰ سال قبل، پیش بینی شده بود، به صورت آزمایشگاهی کشف کنند. با دیپ لوک همراه باشید…مایع اسپین کوانتومی ، در واقع حالت اسرارآمیزی از ماده است که باعث می شود الکترون ها (به عنوان سنگ بناهای بنیادی طبیعت) به اجزای کوچکتری شکسته شوند. این حالت جالب از ماده، در برخی از مواد مغناطیسی، پنهان شده، اما به طور واضح در طبیعت مشاهده نشده است. مایع اسپین کوانتومی را می توان به صورت زیر تعریف کرد:

مایع اسپین کوانتومی ، حالتی است که در سیستمی از اسپین های کوانتومی برهمکنش کننده، به وجود می آید. علت آنکه این حالت را مایع نامگذاری می کنند این است که این حالت در مقایسه با حالت اسپینی سایر مواد فرومغناطیس، بی نظم است؛ درست مانند آب که در مقایسه با یک بلور، دارای بی نظمی بیشتری است. اما نکته ی جالب توجه در مورد مایع اسپین کوانتومی  آن است که این حالت بر خلاف سایر حالت های نامنظم، در دماهای بسیار پایین هم، همچنان بی نظم باقی می ماند!

فیزیکدانان دانشگاه کمبریج، نخستین نشانه ی ذرات کسری (ذرات حاصل از شکسته شدن الکترون ها) را در ماده ی دوبعدی مشابه با گرافن، اندازه گیری کردند. این ذرات کسری، به فرمیون های مایورانا شهرت دارند. این نتایج آزمایشگاهی، به طور موفقیت آمیزی با یکی از مدل های نظری اصلی برای مایع اسپین کوانتومی که به عنوان مدل کیتایوف شناخته می شود، سازگاری دارد. نتایج این پژوهش در ژورنال Nature Materials منتشر شد.

مشاهده ی یکی از جذاب ترین ویژگی های مایع اسپین کوانتومی ، یعنی شکافتگی الکترون یا کسری شدن در مواد واقعی، پیشرفت بسیار شگرفی است. فرمیون های مایورانای بدست آمده، می توانند به عنوان اجزای سازنده ی کامپیوترهای کوانتومی استفاده شوند. کامپیوترهایی که بسیار سریع تر از کامپیوترهای معمولی امروزی بوده و قادرند مسائل لاینحل امروزی را به راحتی حل کنند.

ساختار مایع اسپین کوانتومی

مایع اسپین کوانتومی، قبلاً به صورت نظری پیش بینی شده، اما هرگز قبلاً دیده نشده بود. در یک ماده ی مغناطیسی معمولی، الکترون ها، هر یک به صورت آهنرباهای میله ای کوچکی عمل می کنند و زمانیکه یک ماده به دمای به اندازه ی کافی پایین، سرد می شود، این آهنرباهای کوچک، خودشان را مرتب خواهند کرد، بنابراین تمام قطب های شمال آهنربا، در راستای یکسانی قرار خواهند گرفت. اما در حالت مایع اسپین کوانتومی ، حتی اگر دما به زیر صفر هم برسد، آهنرباهای میله ای، مرتب نخواهند شد، بلکه سوپی از آهنرباهای درهم تنیده را ایجاد خواهند کرد که علت آن، افت و خیزهای کوانتومی هستند.

مایع اسپین کوانتومی

دانشمندان نمی دانستند که نشانه های منحصربفرد آزمایشگاهی (یا اثر انگشت) یک مایع اسپین کوانتومی چیست؟ در واقع آنها در پژوهش قبلی، از خود سوال کردند: اگر من آزمایش هایی روی یک مایع اسپین کوانتومی انجام دهم، چه چیزی مشاهده خواهم کرد؟

دانشمندان در این آزمایش برای مشاهده ی آزمایشگاهی کسری شدن الکترون، از تکنیک پراش نوترون در بلورهای روتینم کلرید (RuCl3) استفاده کردند. محققان، ویژگی های مغناطیسی بلورهای روتینم کلرید را با تاباندن نوترون ها به آنها و مشاهده ی الگوی امواجی که نوترون ها روی یک صفحه، تولید می کنند، مشاهده کردند. یک ماده ی مغناطیسی معمولی، نقاط جداگانه و تیزی را ایجاد می کند، اما سوال این بود که فرمیون های مایورانا در یک مایع اسپین کوانتومی، چه الگویی تولید خواهند کرد؟ پیش بینی نظری این سوال در سال ۲۰۱۴ توسط Knolle و همکارانش انجام شده بود و به خوبی با چیزی که آزمایشگران در این پژوهش روی صفحه مشاهده کردند، مطابقت داشت. بنابراین برای اولین بار، شاهد مستقیمی از یک مایع اسپین کوانتومی و کسری شدن الکترون ها را در یک ماده ی دو بعدی، بدست آمد. با این پژوهش، یک عضو جدید به لیست کوتاه حالت های کوانتومی ماده، اضافه شد. این آزمایش قطعا گام مهمی در درک حالت کوانتومی ماده است و قطعاً دانشمندان را برای کاوش یافته های تازه ترغیب می کند.

برگرفته از: nature

دانلود مقاله ی اصلی به صورت PDF

زاده ی اردیبهشت ۶۹ و دانشجوی دکترای شیمی کوانتوم محاسباتی در دانشگاه شهید بهشتی است.او علاقمند به دنیای کوانتوم، تکنولوژی، فوتبال و موسیقی (رپ/راک) 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.

گفتگو۲ دیدگاه

  1. خیلی ممنون از مطلب جدید و جالبی که ارسال کردید.
    امکانش هست که بخش هایی مبتنی بر ” اثرات کوانتمی در طبیعت” و ” کوانتم کاربردی در علوم و صنایع” برای افرادی مثل من که رشته فیزیک نیستند هم در سایت باشد. چون کاربرد کوانتم برای من به شخصه از تئوری آن مفهوم تر است و سبب خلق ایده در ذهن میشود
    با تشکر

    • ناهید سادات ریاحی

      سپاسگزارم دوست خوبم. بزودی مقاله ای در مورد کاربردهای کوانتوم در زندگی، میذارم. چون یه سری دوستان دیگه هم در کامنت ها، در مورد کاربرد کوانتوم، میخواستن بدونن

ارسال نظر


*