شناسایی حالت جدیدی از ماده کوانتومی در یخ اسپینی

دانشمندان حالت جدیدی از ماده کوانتومی را در یک ساختار به‌ ظاهر آشفته پیدا کرده‌اند که در آینده به کمک محاسبات کوانتومی خواهد آمد.

آزمایش‌های انجام‌شده روی یک ترکیب پیچیده از ذرات مغناطیسی، دانشمندان را با حالت کاملا جدیدی از ماده روبرو کرده است و به‌ نظر می‌رسد که مراجعه به قوانین فیزیک کوانتومی تنها راه توضیح پدیده‌ی جدید باشد.

ساختارهای به‌هم‌ریخته و آشفته در پس این پژوهش، ویژگی‌های عجیبی از خود نشان می‌دهند؛ ویژگی‌هایی که به ما امکان مطالعه‌ی هرج‌ومرج ذرات عجیب را می‌دهد. در صورتی که پژوهشگران بتوانند به‌ نظم و ترتیب موجود در آن پی ببرند، ما می‌توانیم از یافته‌هایشان در درک ماهیت ذرات فوق با جزئیات دقیق‌تر و بیشتر استفاده کنیم و بدین ترتیب یک زمینه‌ی کاملا جدید و متفاوت در فناوری‌های کوانتومی را پیش روی خود ببینیم. فیزیکدانان ایالات متحده پژوهش‌های خود را روی چیدمان هندسی ذرات در یک ماده‌ی به‌ نام یخ اسپینی انجام دادند.

ذرات تشکیل‌ دهنده‌ی یخ اسپینی مانند یخ معمولی، با افت یا تغییر دما، چیدمان یا الگوی جدیدی به خود می‌گیرند. تعدادی از ترکیبات مختلف می‌تواند برای ساخت این نوع مواد استفاده شود. با این حال همه‌ی آن‌ها در داشتن یک نوع خاصیت کوانتومی مشترک هستند: چرخش (اسپین) مغناطیسی فردی آن‌ها بسته به نوع تقابل یا جهت‌گیری ذرات به همدیگر، دستخوش تغییر می‌شود و در نتیجه یک ساختار پیچیده به‌ وجود می‌آید.

بنابراین، بر خلاف الگوهای بلورین قابل پیش‌بینی در آب منجمد، ذراتی مغناطیسی در مقیاس نانو شکل می‌گیرند و باعث می‌شوند که یخ اسپینی به‌صورت نامرتب و دارای آشفتگی ساختاری تحت شرایط خاص با حرکات نوسانی و افت‌وخیزدار در شرایط مختلف به‌ نظر آید. پژوهشگران روی یک ساختار خاص به‌ نام هندسه‌ی شکتی متمرکز شدند و میزان افت‌وخیزهای نظم مغناطیسی آن با توجه به تغییرات دما را اندازه‌گیری کردند.

حالت‌های ماده معمولا به دسته‌های جامد، مایع و گاز تقسیم می‌شوند. ما در یک سطح پایه‌ای و مقدماتی از علوم آموخته‌ایم که حجم و میزان سیال بودن مواد می‌تواند با تغییرات دما و فشار تغییر کند.

اما راه دیگری برای فکر کردن به حالت ماده وجود دارد: می‌توانیم چنین در نظر بگیریم که در برخی نقاط خاص، از دست دادن یا به دست آوردن انرژی توسط ماده، می‌تواند تأثیر چشمگیری بر نحوه‌ی چیدمان ذرات داشته باشد. انجماد آب به‌عنوان مثال، یکی از این تغییرات چشمگیر است.

هنگامی که پژوهشگران درجه حرارت یخ اسپینی مرتب‌ شده در یک هندسه‌ی شکتی را به‌ آرامی کاهش دادند، موفق به بازسازی رفتاری مشابه آب شدند. این اتفاق پیش از این در یخ اسپینی روی نداده بود. آن‌ها در ادامه با استفاده از فرآیندی به‌ نام ریزتصویربرداری الکترونی مبتنی بر تشتعشع نور، توانستند بر اساس نحوه‌ی نوردهی الکترون‌ها تغییراتی در الگو صورت دهند.

پژوهشگران پی به وجود نقاط خاصی بردند که در آن‌ها، با وجود ادامه یافتن روند افت دما، چیدمان‌های خاصی از ذرات کماکان پابرجا می‌مانند و در برابر تغییر بیشتر مقاومت می‌کنند. پیتر شیففر، پژوهشگر ارشد که در حال حاضر در دانشگاه ییل فعال است، می‌گوید:

سیستم به‌گونه‌ای تنظیم یا تثبیت می‌شود که نمی‌تواند خود را مجددا تنظیم کند؛ حتی اگر یک بازسازی اساسی در مقیاس بزرگ بتواند امکان رسیدن به حالت انرژی پایین را برای آن فراهم کند.

چنین نقطه‌ی تثبیت یا ماندگاری، مشخصه‌ای از حالت ماده و پدیده‌ای است که ما انتظارش را در رفتارهای دیوانه‌کننده‌ی یخ اسپینی نداشتیم.

با استفاده از مدل‌های کلاسیک ترمودینامیک، اکثر حالت‌های ماده را می‌توان توضیح داد. در این مورد، مدل مشخصی برای توصیف عامل پایدارکننده‌ی تغییرات در انرژی با چیدمان پایدار مواد وجود نداشت. بنابراین تیم پژوهشی از یک ترفند کوانتومی استفاده کردند. آن‌ها به‌ دنبال یافتن پاسخ این پرسش بودند که درهم‌تنیدگی کوانتومی میان ذرات مرتب‌شده به چه شکلی می‌تواند منجر به یک توپولوژی یا الگوی مشخص و ویژه در فضایی متغیر شود. فیزیکدان کریستیانو نیوزولی از آزمایشگاه ملی لس آلاموس، می‌گوید:

پژوهش ما برای اولین بار نشان می‌دهد که سیستم‌های کلاسیک مانند یخ اسپینی مصنوعی می‌تواند برای نشان دادن مراحل توپولوژیکی استفاده شود که قبلا فقط در شرایط کوانتومی یافت می‌شد.

۱۰ سال پیش، شبه‌ذراتی با رفتاری مانند تک‌قطبی‌های مغناطیسی، در نوع دیگری از یخ‌های اسپینی مشاهده شده بود. شبه‌ذرات در جستجوی ما به‌ دنبال انواع جدیدی از ماده، در حال تبدیل شدن به یک عامل تعیین‌کننده با رفتار عجیب هستند. زیرا آن‌ها در آینده در محاسبات کوانتومی استفاده خواهند شد. بنابراین و بدون شک، داشتن مدل‌های بهتر برای فهم بهتر این چشم‌انداز کوانتومی، مفید خواهد بود.

دستاوردهای این پژوهش در Nature منتشر شده است.

نویسنده: بابک قهرمانی

0

مطلب پیشنهادی

لیونل مسی رکورددار هت‌تریک در لیگ قهرمانان شد

لیونل مسی آمار هت‌تریک خود در مسابقات لیگ قهرمانان اروپا را بهبود بخشید. تیم فوتبال …

زمان سفر رئیس‌جمهور به نیویورک جهت سخنرانی مشخص شد

شرکت و سخنرانی در هفتاد و سومین مجمع عمومی سازمان ملل رئیس‌جمهور کشورمان جهت شرکت …

میرزا زاده کشتی‎گیر جوان گتوندی قهرمانی کشتی جهان را کسب کرد

ورزشکار گتوندی قهرمانی کشتی جهان کسب کرد رئیس اداره ورزش و جوانان شهرستان گتوند گفت: …

آنتوان گریزمان

آنتوان گریزمان: اکنون هم سطح رونالدو و مسی هستم

آنتوان گریزمان: توپ طلا مهم تر از جایزه بهترین بازیکن جهان است گریزمان: اکنون هم …

دالای لاما

اعتراف شوکه کننده دالایی لاما درباره سواستفاده‎های جنسی

اعتراف شوکه کننده دالایی لاما دالایی لاما رهبر معنوی بودایی‌های تبت فاش کرد که از …

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

چهار − دو =

http://www.20script.ir