جریان فرمیون‌ در ماده دو بعدی :جایگزین جریان الکتریکی و نزدیک به سرعت نور!

فیزیکدانان دانشگاه کالیفرنیا، ماده دو بعدی کوانتومی جدیدی ساخته‌اند که دارای ویژگی‌های خارق‌العاده‌ی الکتریکی و مغناطیسی است. این ماده دو بعدی جالب می‌تواند برای ساخت کامپیوتر‌های کوانتومی یا سایر تجهیزات الکترونیکی پیشرفته استفاده شود. در سه مقاله جداگانه‌ای که این ماه در سه مجله معتبر یعنی Nature، Science Advances و Nature Materials منتشر شد، محققان، تعدادی ماده دو بعدی عجیب را کشف کردند که می‌تواند مرزهای تازه‌ای برای قدرت و سرعت کامپیوترهای کوانتومی تعریف کنند. با دیپ لوک همراه باشید…

اکثر مقالاتی که این روزها در مجلات معتبر منتشر می‌شوند، پژوهش‌هایی هستند که در دماهای فوق‌العاده سرد انجام می‌شوند و این درست در مورد هر سه مقاله‌ی موردبحث امروز صدق می‌کند. در این مقالات، برخلاف تمام تکنولوژی‌های مبتنی بر سیلیکون که می‌شناسیم، خبری از الکترون نیست، بلکه فرمیون‌های مایورانا و فرمیون‌ های دیراک، بازیگران اصلی هستند! ذراتی بدون جرم که با سرعت نور حرکت می‌کنند. شیا که دانشمند کلیدی این پژوهش‌هاست، می‌گوید:

ما می‌توانیم به کمک نظریه‌های بسیار عجیب در فیزیک، تکنولوژی‌های بسیار مفیدی بسازیم. ما در حال بررسی احتمال ساخت کامپیوتر‌های کوانتومی توپولوژیکی (در حال حاضر نظری) برای صد سال آینده هستیم!

یکی از چالش‌های اساسی چنین تحقیقی، کنترل و تجزیه تحلیل نمونه‌های بسیار بسیار اندک ماده است؛ ماده‌ای که فقط به اندازه‌ی دو اتم، ضخامت؛ و چند میکرون طول و عرض دارد. آزمایشگاهی که این پژوهش در آن، انجام شد، به میکروسکوپ تداخل سنج ساگناک (Sagnac) مجهز است. این میکروسکوپ را شیا ساخته است. تنها دو مورد از این میکروسکوپ در دنیا وجود دارد که نمونه دیگر آن در دانشگاه استنفورد قرار دارد (که آن هم توسط خود شیا و زمانیکه دانشجوی فوق لیسانس بود)، ساخته شده بود. این میکروسکوپ، حساس‌ترین میکروسکوپ مغناطیسی جهان است. شیا این میکروسکوپ پیشرفته را با تلسکوپی مقایسه می‌کند که یک پرنده‌شناس در ارواین (شهری در جنوب لس آنجلس) می‌تواند برای بررسی چشم یک پرنده در نیویورک استفاده کند! یکی دیگر از دانشمندان این پژوهش می‌گوید:

این ماشین، ابزار اندازه‌گیری ایده‌آلی برای اکتشافات ماست، چرا که دقیق‌ترین راه برای اندازه‌گیری مغناطیس در یک ماده است.

مقاله اول: ماده دو بعدی CGT

در مقاله‌ای که سه روز پیش در مجله نیچر منتشر شد، محققان در مورد مشاهده‌ی مغناطیس در یک پوسته میکروسکوپی از کرومیوم ژرمانیوم تلورید (CGT) توسط سگناک صحبت کردند. این ترکیب که در دمای منفی ۲۳۲ درجه سانتیگراد دیده شد، فیلم فوق نازکی از کربن اتمی بوده و از این جهت بسیار شبیه به گرافن است. از زمان کشف گرافن، دانشمندان آن را به عنوان جانشین سیلیکون در نسل بعدی کامپیوترها قلمداد می‌کنند، زیرا به خاطر سطح تقریبا صافش، سیگنال های الکتریکی روی آن، سُر می‌خورند. اما مشکلی وجود دارد: اجزای کامپیوتر مانند حافظه و سیستم‌های ذخیره‌سازی اطلاعات، باید از ماده‌ای ساخته شوند که هم ویژگی الکتریکی و هم مغناطیسی داشته باشند. این در حالیست که گرافن، فقط دارای ویژگی الکتریکی است و نه مغناطیسی، اما CGT هر دو ویژگی را دارد!

مقاله دوم: ماده دو بعدی بیسموت و نیکل

مقاله‌ای که در مجله Science Advances منتشر شد هم از تداخل سنج ساگناک استفاده کرد. در این مقاله، دانشمندان لحظه‌ای که بیسموت و نیکل در دمای بسیار پایین منفی ۲۶۸ درجه سانتیگراد در تماس با یکدیگر قرار می‌گیرند را مشاهده کردند. شیا و تیمش در تداخل بین این دو فلز، یک ابررسانای عجیب پیدا کردند که تقارن زمان معکوس را می‌شکند! برای درک بهتر تقارن زمان معکوس، تصور کنید عقربه یک ساعت به عقب می‌رود یا یک فنجان قرمز چای، سبز می‌شود! همانقدر که این دو پدیده عجیب‌اند، پیدا کردن این ابررساناها هم عجیب است. این، نخستین بار است که چنین ابررسانایی در یک ماده دوبعدی مشاهده شده است. سیگنالی که در ابررسانای دوبعدی، جریان می‌یابد، الکترون‌ نیست، بلکه فرمیون مایوراناست. فرمیون مایورانا ویژگی‌هایی دارد که نظریه‌پردازان معتقدند برای محاسبات کوانتومی، ضروری است. اما تمام این پدیده‌های شگفت انگیز در دماهای بسیار پایین ظاهر می‌شوند،‌ حالا چالش این است که چگونه این پدیده‌ها را دماهای معمولی مشاهده کنیم؟ مقاله سوم، غلبه بر این چالش را نوید می‌دهد.

مقاله سوم: ماده دو بعدی ساماریوم هگزابوراید

در سال ۲۰۱۲، آزمایشگاه شیا ماده جالبی به نام ساماریوم هگزابوراید ساخت که عایق است، اما به‌طور شگفت‌انگیزی اجازه می‌دهد تا فرمیون‌های دیراک به طور آزادانه روی سطح دوبعدی‌اش،جریان یابند! دانشمندان به کمک دستگاه خاصی، کشش زیادی را به ساماریوم هگزابراید اعمال کردند. با اینکار، سطح دو بعدی مورد نظر تا دمای منفی ۳۲ درجه سانتیگراد، پایدار شد! نتیجه این پژوهش هم در ژورنال Nature Materials منتشر شد. شیا می‌گوید:

باور کنید یا نه، این دما، داغ‌تر از دمای برخی مناطق کاناداست! این پژوهش، گام بزرگی به سوی توسعه‌ی کامپیوتر‌های کوانتومی آینده در دمای نزدیک به دمای اتاق است.

مقاله اصلی (منتشر شده در نتیچر) را در زیر مشاهده کنید:

[gview file=”http://www.deeplook.ir/wp-content/uploads/2017/04/10.1038@nature22060.pdf” profile=”3″ save=”1″]