کشف حالت جدیدی از ماده به نام یخ اسپینی شاختی: نظم در بی‌نظمی!

فیزیکدانان، ماده‌ی جدیدی کشف کرده‌اند که نظم ساختاری آن، بیشتر با قواعد مکانیک کوانتومی، همسو است تا نظریه‌ی ترمودینامیک استاندارد. در یک ماده‌ی کلاسیک به نام یخ اسپینی مصنوعی که در فازهای معینی، به صورت بی‌نظم ظاهر می‌شود، ماده واقعا منظم است، اما به شکل توپولوژیکی! نتیجه‌ی این پژوهش، دیروز در مجله‌ی معتبر nature physics منتشر شد. با دیپ لوک همراه باشید…

دانشمندان می‌گویند:

پژوهش ما برای نخستین بار نشان می‌دهد سیستم‌های کلاسیکی مانند یخ اسپینی مصنوعی می‌توانند برای اثبات فازهای منظم توپولوژیکی طراحی شوند، فازهایی که قبلا فقط در شرایط کوانتومی دیده شده‌ بودند. فیزیکدانان عموما فازهای ماده را به صورت منظم (مانند بلور) و نامنظم (مانند گازها) دسته‌بندی می‌کنند و اینکار را بر اساس تقارن نظم‌ مشاهده‌شده انجام می‌دهند. اثبات اینکه این اثرات توپولوژیکی می‌تواند داخل یک سیستم یخ مصنوعی طراحی شوند، دری را به سوی پژوهش‌‌‌های جذاب و جدید، باز می‌کند.

محققان در این پژوهش جدید، نوعی هندسه‌ی ویژه‌ برای یخ اسپینی مصنوعی کشف کردند که یخ اسپینی شاکتی (Shakti spin ice) نامیده می‌شود. این مواد، همیشه به صورت نظری، طراحی می‌شوند، اما این بار، کشف ویژگی‌های عجیب و خارج از تعادل آن، از طریق آزمایش‌ و سپس به نظریه اتفاق افتاده است. دانشمندان با انجام آزمایش، پدیده‌ی عجیبی مشاهده کردند: برخلاف سایر یخ‌های اسپینی مصنوعی که با کاهش پله‌ای دما می‌توانستند به حالت انرژی پایین خود برسند، یخ اسپینی شاختی، به طور محکم در تراز انرژی خود باقی می‌ماند. در واقع این سیستم، طوری گیر می‌کند که نمی‌تواند خود را بازآرایی کند.

دانشمندان با دورشدن از تصویر اسپینی و تمرکز بر توصیف ظهوریافته‌ی برانگیختگی‌های سیستم، یک حالت کم‌انرژی را توصیف کردند که دقیقا مطابق با یک مدل نظری مشهور بود: مدل پوشش دیمر (dimer cover model) که ویژگی‌های توپولوژیکی آن، قبلا شناخته شده است. بنابراین داده‌های آزمایشگاهی، بقای بار توپولوژیکی و طول عمر برانگیختگی‌ها را تایید کردند. دانشمندان می‌گویند:

این پدیده برای ما بسیار جذاب است، زیرا معمولا چارچوب‌های نظری از فیزیک کلاسیکی به سمت فیزیک کوانتومی حرکت می‌کنند، اما در مورد نظم توپولوژیکی، این روند، برعکس شد.