مطالعه‌ای که توسط دانشمندان دانشگاه براون انجام شد، شروع به پرداختن به یک سوال دیرینه در فیزیک ماده متراکم کرد که آیا اختلال حالت مایع کوانتومی را در یک ترکیب برجسته تقلید می‌کند یا از بین می‌برد. توضیح مایعات اسپین کوانتومی دشوار است و حتی درک آن دشوارتر است.
برای شروع، آنها ربطی به مایعات روزمره مانند آب یا آب میوه ندارند، بلکه به آهنرباهای مخصوص و نحوه چرخش آنها مربوط می‌شود. در آهنرباهای معمولی، وقتی دما کاهش می‌یابد، اسپین الکترون‌ها اساساً منجمد می‌شود و یک قطعه جامد از ماده را تشکیل می‌دهد. با این حال، در مایعات اسپین کوانتومی، اسپین الکترون‌ها منجمد نمی‌شود – در عوض الکترون‌ها در یک حالت شار ثابت باقی می‌مانند، همانطور که در یک مایع آزاد جریان دارند.
مایعات اسپین کوانتومی یکی از درهم‌تنیده‌ترین حالت‌های کوانتومی هستند که تا به امروز تصور شده‌اند و خواص آنها در کاربردهایی کلیدی است که دانشمندان می‌گویند می‌توانند فناوری‌های کوانتومی را منجنیق کنند. علیرغم جستجوی ۵۰ ساله برای آنها و نظریه های متعددی که به وجود آنها اشاره می کند، هیچ کس تا به حال شاهد قطعی این وضعیت ماده را ندیده است. در واقع، محققان به دلیل دشواری اندازه‌گیری مستقیم درهم تنیدگی کوانتومی، ممکن است هرگز آن شواهد را نبینند، پدیده‌ای که آلبرت انیشتین آن را «عمل شبح‌آمیز از راه دور» نامیده است. اینجاست که دو اتم به هم متصل می‌شوند و می‌توانند اطلاعات را بدون توجه به اینکه چقدر از هم دور باشند، مبادله کنند.
نقش بی نظمی در مایعات اسپین کوانتومی
رمز و راز پیرامون مایعات اسپین کوانتومی منجر به سؤالات عمده ای در مورد این ماده عجیب و غریب در فیزیک ماده متراکم شده است که تا این لحظه بی پاسخ مانده است. اما در مقاله‌ای جدید در Nature Communications ، تیمی از فیزیکدانان به رهبری دانشگاه براون شروع به روشن کردن یکی از مهم‌ترین سؤالات می‌کنند و این کار را با معرفی مرحله جدیدی از ماده انجام می‌دهند.
همه چیز به بی نظمی ختم می‌شود
کمپ پلمب، استادیار فیزیک در براون و نویسنده ارشد مطالعه جدید، توضیح می‌دهد که «همه مواد در برخی سطوح دارای اختلال هستند» و این اختلال به تعداد روش‌های میکروسکوپی مربوط به چیدمان اجزای یک سیستم مربوط می‌شود. به عنوان مثال، یک سیستم منظم، مانند یک کریستال جامد، راه های بسیار کمی برای تنظیم مجدد آن دارد، در حالی که یک سیستم بی نظم، مانند یک گاز، ساختار واقعی برای خود ندارد.
در مایعات اسپین کوانتومی، بی نظمی ناهماهنگی هایی را ایجاد می کند که اساساً با نظریه پشت مایعات مخالف است. یک توضیح غالب این بود که وقتی بی نظمی ایجاد می شود، ماده دیگر مایع اسپین کوانتومی نیست و در عوض به سادگی آهنربایی است که در حالت بی نظمی قرار دارد. بنابراین، سوال بزرگ این بود که آیا حالت مایع اسپین کوانتومی در حضور بی‌نظمی زنده می‌ماند، و اگر زنده بماند، چگونه؟
محققان با استفاده از برخی از درخشان‌ترین پرتوهای ایکس در جهان برای تجزیه و تحلیل امواج مغناطیسی در ترکیبی که مورد مطالعه قرار دادند، به این سوال پرداختند تا نشانه‌هایی مبنی بر اینکه این یک مایع اسپین کوانتومی است، وجود دارد. اندازه‌گیری‌ها نشان داد که نه تنها مواد در دماهای پایین به صورت مغناطیسی نظم نمی‌یابند (یا منجمد می‌شوند)، بلکه اختلالی که در سیستم وجود دارد، حالت مایع کوانتومی را تقلید یا از بین نمی‌برد.
آنها دریافتند که به طور قابل توجهی آن را تغییر می دهد.
پلامب گفت: حالت مایع کوانتومی به نوعی زنده می ماند. «آن کاری که از یک آهنربای معمولی انتظار دارید در جایی که فقط یخ می زند، انجام نمی دهد. در این حالت پویا باقی می‌ماند، اما مانند نسخه‌ای از همبستگی آن حالت پویا است. تفسیر ما در حال حاضر این است که مایع اسپین کوانتومی به گودال‌های کوچکی در سراسر ماده شکسته شده است.
مفاهیم و تحقیقات آینده
این یافته‌ها اساساً نشان می‌دهند که ماده‌ای که آنها به آن نگاه کردند، که یکی از کاندیداهای اولیه برای مایع اسپین کوانتومی است، به نظر می‌رسد نزدیک به یک باشد، اما دارای یک جزء اضافی است. محققان معتقدند که این یک مایع اسپین کوانتومی است که بی نظم است و آن را به فاز جدیدی از ماده بی نظم تبدیل می کند.
پلامب گفت: «یک چیزی که می‌توانست در این ماده اتفاق بیفتد این بود که این ماده به یک نسخه بی‌نظم از حالت مایع اسپین غیرکوانتومی تبدیل شود، اما اندازه‌گیری‌های ما این را به ما می‌گفتند.» در عوض، اندازه‌گیری‌های ما نشان می‌دهد که چیزی بسیار متفاوت است.»
نتایج، درک ما را از چگونگی تأثیر بی نظمی بر سیستم های کوانتومی و نحوه محاسبه آن عمیق تر می کند، که این مهم است زیرا این مواد برای استفاده در محاسبات کوانتومی مورد بررسی قرار می گیرند .
این کار بخشی از یک خط طولانی تحقیقات در مورد حالت های مغناطیسی عجیب و غریب از آزمایشگاه Plumb در براون است. این مطالعه بر روی ترکیب H3LiIr2O6 تمرکز دارد، ماده‌ای که به‌خاطر اینکه نوع خاصی از مایع اسپین کوانتومی به نام مایع چرخشی Kitaev است، به بهترین شکل با این کهن الگو مطابقت دارد. اگرچه H3LiIr2O6 در دمای سرد یخ نمی‌زند، اما تولید H3LiIr2O6 در آزمایشگاه بسیار دشوار است و به دلیل اختلال در آن شناخته می‌شود، و این موضوع باعث می‌شود که آیا واقعاً یک مایع چرخشی بوده یا خیر.
محققان براون با همکاران کالج بوستون برای سنتز این ماده کار کردند و سپس از سیستم قدرتمند اشعه ایکس در آزمایشگاه ملی آرگون در ایلینویز استفاده کردند تا آن را با نور پر انرژی از بین ببرند. نور خواص مغناطیسی را در ترکیب تحریک می کند و اندازه گیری هایی که از امواجی که تولید می کند راه حلی برای اندازه گیری درهم تنیدگی است زیرا این روش راهی برای بررسی چگونگی تأثیر نور بر کل سیستم ارائه می دهد.
محققان امیدوارند با پالایش روش‌ها، خود ماده و بررسی مواد مختلف، کار را گسترش دهند.
پلامب گفت: «بزرگترین چیزی که در آینده پیش می‌آید کاری است که ما انجام داده‌ایم، که به جستجو در فضای واقعاً وسیعی از موادی که جدول تناوبی به ما می‌دهد ادامه می‌دهد. اکنون ما درک عمیق‌تری از این داریم که چگونه ترکیب‌های مختلف عناصری که کنار هم قرار می‌دهیم می‌توانند بر فعل و انفعالات تأثیر بگذارند یا باعث ایجاد انواع مختلف اختلالاتی شوند که بر مایع چرخش تأثیر می‌گذارند. ما راهنمایی بیشتری داریم که واقعاً مهم است زیرا واقعاً فضای جستجوی بسیار وسیعی است.»
سوالات
مایع اسپین کوانتومی کیتاف چیست؟
مدل Kitaev یک مدل چرخشی با اسپین S = 1/2 است که دقیقاً قابل حل بر روی یک شبکه لانه زنبوری دو بعدی است. در این مدل، اسپین‌ها به فرمیون‌های Majorana تجزیه می‌شوند و یک مایع اسپین کوانتومی توپولوژیک (QSL) را در حالت پایه تشکیل می‌دهند.
نظریه مایع اسپین چیست؟
مایعات اسپین حالت‌های پایه‌ای سیال مانند سیستم‌های اسپینی هستند که در آن اسپین‌ها در دمای صفر مرتبه نمی‌شوند. این حالت‌ها دارای درهم‌تنیدگی دوربرد و ویژگی‌های عجیب و غریب همزمان هستند، از جمله برانگیختگی‌های تکه‌تکه‌شده و میدان سنج اضطراری.
کدام دانشمندان حالت جدیدی از ماده به نام مایعات اسپین کوانتومی را مشاهده کردند؟
در سال ۱۹۷۳، فیزیک‌دان فیلیپ دبلیو اندرسون حالت جدیدی از ماده را تئوری کرد. تمرکز اصلی این میدان، به ویژه در رقابت برای کامپیوترهای کوانتومی بوده است. این حالت عجیب و غریب ماده، مایع اسپین کوانتومی نامیده می‌شود و با واقعیت مایعات روزمره مانند آب تفاوت دارد.
چه کسی اسپین کوانتومی را کشف کرد؟
استرن و فیزیک‌دان و همکارش، والتر گرلاخ، بدون اینکه کاملاً متوجه باشند چه می‌بینند، اسپین کوانتومی را کشف کردند. این اسپین، یک حرکت چرخشی ابدی است که ذاتی ذرات بنیادی است و در اندازه‌گیری، فقط در دو حالت “بالا” یا “پایین” ممکن است، یا به عبارت دیگر، “چپ” یا “راست”.
کدام دانشمند عدد کوانتومی اسپین را کشف کرد؟
عدد کوانتومی اسپین توسط دو فیزیک‌دان به نام‌های جورج اولنبک و ساموئل گودسمیت در سال ۱۹۲۵ شناسایی شد. آنها کشف کردند که الکترون‌ها علاوه بر تکانه زاویه‌ای مداری، دارای یک تکانه زاویه‌ای ذاتی به نام اسپین هستند.
تعاریف
مایع اسپین کوانتومی:
مایع اسپین کوانتومی یکی از حالت‌های درهم‌تنیده کوانتومی است که تا به امروز تصور شده‌اند. در این حالت، اسپین الکترون‌ها در یک حالت شار ثابت باقی می‌مانند، شبیه به یک مایع آزاد جریان.
بی‌نظمی:
در زمینه مایعات اسپین کوانتومی، بی‌نظمی ناهماهنگی‌هایی را ایجاد می‌کند که اساساً با نظریه پشت مایعات مخالف است. این بی‌نظمی به وجود آمده در سیستم‌ها، حالت مایع کوانتومی را تقلید یا از بین نمی‌برد.
دانشگاه براون:
دانشگاه براون یک دانشگاه تحقیقاتی در شهر پروویدانس، رودآیلند، ایالات متحده آمریکا است. این دانشگاه به عنوان یکی از دانشگاه‌های لیگ ایوی شناخته می‌شود.
مایع اسپین:
مایع اسپین به حالتی اشاره دارد که در آن اسپین‌های الکترون‌ها به صورت مغناطیسی نظم نمی‌یابند یا منجمد نمی‌شوند. در حضور بی‌نظمی، حالت مایع اسپین کوانتومی زنده می‌ماند.
فضای جستجوی وسیع:
این اصطلاح به فضای بزرگ و گسترده‌ای اشاره دارد که در آن امکان جستجو و بررسی مواد و پدیده‌های مختلفی که جدول تناوبی فراهم می‌کند، وجود دارد.
همبستگی انیشتین:
عبارت “عمل شبح‌آمیز از راه دور” که اینجا به آن اشاره شده است، به پدیده‌ای اشاره دارد که دو اتم به هم متصل می‌شوند و می‌توانند اطلاعات را بدون توجه به اینکه چقدر از هم دور باشند، مبادله کنند.
