محققان یک حالت کوانتومی جدید کشف کردند

منتشر شده در scitechdaily به تاریخ ۲۹ ژانویه ۲۰۲۳
لینک منبع: Researchers Have Discovered a Novel Quantum State

یک تیم تحقیقاتی شامل Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) یک حالت کوانتومی را کشف کرده است که در آن آب حتی در دماهای بسیار پایین مایع باقی می‌ماند. این تیم متشکل از کارشناسان موسسه فیزیک حالت جامد در دانشگاه توکیو در ژاپن، دانشگاه جانز هاپکینز در ایالات متحده و موسسه مکس پلانک برای فیزیک سیستم‌های پیچیده(MPI-PKS) در درسدن، آلمان، توانست یک ماده خاص را تا دمای نزدیک به صفر مطلق خنک کند.

آن‌ها دریافتند که یک ویژگی مرکزی اتم‌ها –چینش و توازن آن‌ها- طبق معمول «یخ نمی‌زند»، بلکه در حالت "مایع" باقی می‌ماند. این ماده کوانتومی جدید می‌تواند به‌عنوان یک سیستم مدل برای توسعه حسگرهای کوانتومی جدید و بسیار حساس عمل کند. این تیم اخیرا یافته‌های خود را در مجلهNature Physics منتشر کرده است.

در نگاه اول، مواد کوانتومی با مواد معمولی متفاوت به نظر نمی‌رسند –اما مطمئناً کار خودشان را می‌کنند: در داخل، الکترون‌ها با شدت غیرعادی، هم با یکدیگر و هم با اتم‌های شبکه کریستالی برهمکنش می‌کنند. این تعامل صمیمی منجر به اثرات کوانتومی قدرتمندی می‌شود که نه‌تنها در مقیاس میکروسکوپی، بلکه در مقیاس ماکروسکوپی نیز عمل می‌کند. به لطف این اثرات، مواد کوانتومی خواص قابل‌توجهی از خود نشان می‌دهند. به‌عنوان مثال، آن‌ها می‌توانند الکتریسیته را کاملاً بدون تلفات در دماهای پایین هدایت کنند. اغلب، حتی تغییرات جزئی در دما، فشار یا ولتاژ الکتریکی برای تغییر شدید رفتار مواد کافی است.

در اصل، آهن‌ربا را می‌توان به‌عنوان مواد کوانتومی نیز در نظر گرفت. به هر حال، مغناطیس بر اساس اسپین ذاتی الکترون‌های موجود در ماده است. پروفسور Jochen Wosnitza از آزمایشگاه مغناطیسی میدان بالا درسدن (HLD) در HZDR توضیح می‌دهد: «از برخی جهات، این چرخش‌ها می‌توانند مانند یک مایع رفتار کنند.» با کاهش دما، این چرخش‌های نامنظم می‌توانند یخ بزنند، درست مانند فریز شدن آب به یخ. به‌عنوان مثال، انواع خاصی از آهنرباها، به اصطلاح فرومغناطیس، بالاتر از «نقطه انجماد خود»، غیرمغناطیسی هستند. فقط وقتی به زیر آن بیایند می‌توانند به آهنرباهای دائمی تبدیل شوند.

مواد با خلوص بالا

تیم بین‌المللی قصد داشت حالتی کوانتومی ایجاد کند که در آن تراز اتمی مرتبط با اسپین‌ها، حتی در دماهای فوق‌سرد، مرتب نباشد -شبیه به مایعی که حتی در سرمای شدید جامد نمی‌شود. برای دستیابی به این وضعیت، گروه تحقیقاتی از یک ماده خاص -ترکیبی از عناصر، پرازئودیمیم، زیرکونیوم و اکسیژن استفاده کردند. آن‌ها فرض کردند که در این ماده، ویژگی‌های شبکه کریستالی، اسپین‌های الکترون را قادر می‌سازد تا به روشی خاص با اوربیتال‌های خود در اطراف اتم‌ها برهمکنش داشته باشند.

پروفسور ساتورو ناکاتسوجی از دانشگاه توکیو توضیح می‌دهد: «با این حال، پیش‌نیاز، داشتن کریستال‌هایی با خلوص و کیفیت فوق‌العاده بود.» چندین تلاش طول کشید، اما در نهایت، تیم توانست کریستال‌هایی را به اندازه کافی خالص برای آزمایش خود تولید کند: در یک کرایواستات، نوعی فلاسک فوق‌العاده، کارشناسان به تدریج نمونه خود را تا ۲۰ میلی‌کلوین -فقط یک پنجاهم درجه بالای صفر مطلق- خنک کردند برای مشاهده اینکه نمونه چگونه به این فرآیند خنک‌سازی و در داخل میدان مغناطیسی واکنش نشان می‌دهد، طول آن را اندازه‌گیری کردند. در آزمایش دیگری، این گروه نحوه واکنش کریستال به امواج اولتراسوند را که مستقیماً از طریق آن ارسال می‌شود، ثبت کردند.

یک تعامل صمیمی

نتیجه: دکتر سرگئی ژرلیتسین، کارشناس HLD در تحقیقات اولتراسوند، توضیح می‌دهد: «اگر چرخش‌ها دستور داده شده بود، باید باعث تغییر ناگهانی در رفتار کریستال، مانند تغییر ناگهانی طول شود». با این حال، همان‌طور که مشاهده کردیم، هیچ اتفاقی نیفتاد! هیچ تغییر ناگهانی در طول یا در پاسخ آن به امواج اولتراسوند وجود نداشت. نتیجه: فعل و انفعال آشکار اسپین‌ها و اوربیتال‌ها مانع از نظم‌دهی شده بود، به همین دلیل است که اتم‌ها در حالت کوانتومی مایع خود باقی ماندند –اولین باری که چنین حالت کوانتومی مشاهده شد. تحقیقات بیشتر در زمینه‌های مغناطیسی این فرض را تایید کرد.

این نتیجه تحقیقات پایه می‌تواند روزی پیامدهای عملی نیز داشته باشد: «در برخی مواقع، ممکن است بتوانیم از حالت کوانتومی جدید برای توسعه حسگرهای کوانتومی بسیار حساس استفاده کنیم.» با این حال، برای انجام این کار، ما هنوز باید بفهمیم که چگونه به‌طور سیستماتیک در این حالت تحریک ایجاد کنیم. سنجش کوانتومی به‌عنوان یک فناوری امیدوارکننده در آینده در نظر گرفته می‌شود. از آنجایی که ماهیت کوانتومی‌شان آن‌ها را به محرک‌های خارجی بسیار حساس می‌کند، حسگرهای کوانتومی می‌توانند میدان‌های مغناطیسی یا دما را با دقت بسیار بیشتری نسبت به حسگرهای معمولی ثبت کنند.

این متن با استفاده از ربات ‌ترجمه مقالات فیزیک ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.