نظریه ابررسانایی زیر تیغ حملات کوانتومی

محققان در آزمایش جدیدی روی یک ماده ابررسانا، یک گذار سریع و ناگهانی را بین یک فلز معمولی و یک فلز عجیب یافتند. چیزی که واقعا عجیب است، این است که این تغییر سریع و ناگهانی، با کاهش دما ناپدید می‌شود. پدیده‌ای که هیچ‌گونه چارچوب نظری برای توضیح آن وجود ندارد، این معمای جدید ابررسانایی را تنها یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند حل کند. با دیپ لوک همراه باشید…

ابررساناها، در طول یک قرن گذشته، محل شگفتی‌های بسیاری بوده‌اند. در سال ۱۹۱۱، هایکه کامرلینگ اونس (Heike Kamerlingh Onnes) کشف کرد که جیوه، جریان الکتریکی را در دمای ۴.۲ کلوین، بدون هیچ مقاومت الکتریکی از خود عبور خواهد داد. پدیده‌ی ابررسانایی، برای اولین بار در سال ۱۹۵۷ مطرح و در سال ۱۹۸۶، نوع جدیدی از ابررسانایی در اکسید‌های پیچیده‌ی مس کشف شد. این ابررسانایی دما بالا، حتی در دماهای ۹۲ کلوین نیز خاصیت خود را حفظ می‌کند. اگر خاصیت ابررسانایی بتواند به دمای اتاق گسترش یابد، منجر به کاربردهای فناورانه‌ی بی‌سابقه‌ای خواهد شد، اما تاکنون توضیح و تفسیر کاملی، برای این پدیده ارائه نشده است، اما دلیل آن، عدم تلاش فیزیک‌دانان نیست.

فلز عجیب

محققان راجع به این پژوهش که نتایج آن در مجلع معتبر ساینس منتشر شد، می‌گویند:

گمان می‌کنیم که این اتفاق، اثر بسیار مهم و بزرگی ایجاد خواهد کرد. این مقاله، حتی بر اساس استانداردهای مجله ساینس نیز، یک مقاله‌ی معمولی نیست.

از سال ۱۹۵۷ که پدیده‌ی ابررسانایی توصیف شده، این تصور وجود داشته که ابررسانایی توسط الکترون‌های جفت ایجاد می‌شود که قابلیت حرکت بدون هیچ مانعی، درون یک بلور را دارند. این اتفاق، فقط در دماهای پایین‌تر از Tc یا دمای بحرانی رخ می‌دهد. با این وجود، ابررساناهای دمای بالا، حتی در دمای بالاتر از Tc نیز رفتار عجیبی نشان می‌دهند. رفتار الکترون‌ها در این فاز عجیب فلزی، مشابه رفتار ذرات مستقل، آنطور که در فلزات عادی می‌باشد، نیست؛ اما مانند رفتار جمعی الکترون‌هاست.

محققان دانشگاه استنفورد، گذار بین فاز عادی و عجیب را در ابررسانای اکسید مس (Bi(2212 با استفاده از یک روش طیف‌سنجی خاص به نام ARPES مطالعه و بررسی کرده‌اند. در روش ARPES، پرتوی قوی ماورابنفش به نمونه برخورد می‌کند. این پرتو، حامل انرژی است که می‌تواند الکترون‌ها را از ماده خارج کند. انرژی و سرعت این الکترون‌ها، رفتار الکترون‌های درون نمونه را فاش می‌کند.

آب در حال جوش

فارغ از دما، پارامتر آلایش (doping parameter) نیز مهم و تعیین‌کننده است. با تغییر شیمی دقیق ماده، تعداد حامل‌های باری که بطور آزادانه در حال حرکت‌اند، می‌تواند تغییر کند که این امر، بر روی ویژگی‌های ماده نیز تاثیر می‌گذارد.

در دماهای نسبتا گرم، کمی بیشتر از بالاترین Tc ممکن، گذار بین فلز عادی و عجیب، در میزان آلایش بین ۱۹ و ۲۰ درصد اتفاق می‌افتد. محققان در این گذار نشان می‌دهند که توزیع انرژی الکترون‌ها به سرعت و ناگهانی تغییر می‌کند. چنین گذارهای ناپیوسته‌ای، در فیزیک رایج هستند. یک مثال از چنین گذار ناپیوسته‌ای، آب در حال جوشیدن است. چگالی آب، در گذار از فاز مایع به فاز بخار، جهش ناپیوسته‌ی بزرگی انجام می‌دهد. اما، اتفاق شگفت‌انگیزی که در این مورد رخ می‌دهد، این است که این ناپیوستگی با کاهش دما به قلمروی ابررسانایی ناپدید می‌شود؛ شدت تغییر ناگهانی کاهش می‌یابد و گذار فاز آرام‌تری رخ می‌دهد و در نتیجه، ویژگی‌های ماده بصورت پیوسته تغییر می‌کنند.

سطل زباله

با توجه به اصول عمومی فیزیک، رفتار ناپیوسته در دمای بالا،‌ باید به یک گذار ناپیوسته در دمای پایین ترجمه شود. اینکه این اتفاق رخ نمی‌دهد، با تمام محاسباتی که تاکنون انجام شده، مغایرت دارد. این بدان معنی است که گذار بحرانی کوانتومی را می‌توان داخل سطل زباله انداخت. زیرا این توصیف نظری، زمانی که مقدار آلایش تغییر می‌کند، یک رفتار پیوسته را برای سیگنال ARPES پیش‌بینی می‌کند. تمام این اتفاقات، یک نشانه‌ی واضح از این است که فاز عجیب فلز، پیامد درهم‌تنیدگی کوانتومی است. درهم‌تنیدگی، یکی از ویژگی‌های مهم مکانیک کوانتومی است که یک جز حیاتی برای کامپیوترهای کوانتومی نیز به شمار می‌آید.

کامپیوترهای کوانتومی

محققان فکر می‌کنند که این رفتار می‌تواند تنها با استفاده از یک کامپیوتر کوانتومی بطور رضایت‌بخش و قانع‌کننده‌ای محاسبه شود. بررسی این فلز عجیب، حتی نسبت به شکستن کدهای امنیتی یا محاسبات مولکول‌ها، گزینه‌ی ایده‌آل‌تری برای بررسی مزیت کامپیوترهای کوانتومی نسبت به کامپیوترهای معمولی می‌باشد. محققان می‌گویند:

بعد از گذشت ۳۰ سال، شواهد نشان می‌دهند که ابررسانایی با Tc بالا،‌ به شکل کاملا جدیدی از مواد اشاره می‌کند که براساس پیامدهای درهم‌تنیدگی کوانتومی در دنیای ماکروسکوپی عمل می‌کنند.