دانشمندان وجود مایعات کوانتومی اسپین را تایید کرده‌اند. این مایعات، حالتی شگفت‌انگیز از ماده هستند که در آن ذرات مغناطیسی پیوسته در حرکت‌اند. این کشف مهم در ماده‌ای به نام پیروکلر سریم استانات رخ داده است و می‌تواند محاسبات کوانتومی و علم فیزیک را دگرگون کند.
رمزگشایی از مایعات اسپین کوانتومی
مایعات اسپین کوانتومی، حالتی کمیاب و شگفت‌انگیز از ماده، مدت‌هاست ذهن فیزیکدانان را به خود مشغول کرده است. در این حالت، ذرات مغناطیسی از الگوهای معمول پیروی نمی‌کنند. حتی در دماهای بسیار پایین، نزدیک به صفر مطلق، این ذرات از قرار گرفتن در ساختارهای ثابت امتناع می‌کنند. در عوض، آنها دائما در حرکت هستند و رفتار سیال‌گونه‌ای از خود نشان می‌دهند که توسط قوانین عجیب مکانیک کوانتومی کنترل می‌شود. این کشف مهم که در ماده پیروکلر سریم استانات تایید شده است، به درک بنیادی فیزیک کمک می‌کند و راه را برای پیشرفت در فناوری کوانتومی هموار می‌سازد.
مایعات اسپین کوانتومی چه هستند؟
در اصل، یک مایع اسپین کوانتومی حالتی است که در آن اسپین‌های مغناطیسی الکترون‌ها “ناکام” می‌مانند. به دلیل ساختار هندسی بلور، این اسپین‌ها نمی‌توانند در یک نظم معمول قرار بگیرند. این پدیده که ناکامی مغناطیسی نامیده می‌شود، محیطی پویا ایجاد می‌کند. در این محیط، اسپین‌ها یک برهم‌نهی کوانتومی – از ویژگی‌های مکانیک کوانتومی – را تشکیل می‌دهند.
برخلاف مواد مغناطیسی معمولی که در آنها اسپین‌ها در الگوهای قابل پیش‌بینی (مانند جهت‌های موازی یا مخالف) هم‌تراز می‌شوند، مایعات اسپین کوانتومی رفتاری سیال‌گونه دارند. برهم‌کنش‌های بین اسپین‌ها، شبیه برهم‌کنش نور و ماده است و ویژگی‌هایی را نشان می‌دهد که به نیروهای بنیادی جهان شباهت دارند. با وجود دهه‌ها مطالعات نظری، اثبات تجربی مایعات اسپین کوانتومی تاکنون دشوار بوده است.
کشفی پیشگامانه
گروهی بین‌المللی از دانشمندان، شواهد قانع‌کننده‌ای برای وجود مایعات اسپین کوانتومی ارائه کرده‌اند. این پژوهش که در Nature Physics منتشر شده است، بر روی پیروکلر سریم استانات متمرکز است. این ماده، ساختار بلوری مناسبی برای ایجاد ناکامی مغناطیسی و در نتیجه ایجاد این حالت عجیب دارد.
محققان با استفاده از روش‌های پیشرفتهای مانند پراکندگی نوترون، رفتار مغناطیسی غیرمعمولی را مشاهده کردند که با مایعات اسپین کوانتومی مطابقت دارد. پراکندگی نوترون، ابزاری قدرتمند برای بررسی خواص مغناطیسی است. این روش به دانشمندان اجازه داد تا “برانگیختگی‌های اسپین جمعی” را مشاهده کنند. در این پدیده، اسپین‌ها مانند امواج نور رفتار می‌کنند. این مشاهده، گام مهمی در تایید این حالت بود که مدت‌ها به صورت نظری مطرح بود.
نقش پراکندگی نوترون
پراکندگی نوترون نقش کلیدی در این کشف داشت. این آزمایش که با استفاده از یک طیف‌سنج ویژه در Institut Laue-Langevin در فرانسه انجام شد، به داده‌های بسیار دقیق برای تشخیص نشانه‌های ظریف مایعات اسپین کوانتومی نیاز داشت.
رومن سیبیل، سرپرست تیم تجربی، توضیح داد: “شبه‌ذرات ماده کسری، که مدت‌ها در مایعات اسپین کوانتومی به صورت نظری مطرح شده بودند، برای اثبات تجربی به دقت و وضوح بسیار بالایی نیاز داشتند.”
این دستاورد با تحلیل‌های نظری آندری نویدومسکی در دانشگاه رایس تکمیل شد. این تیم با تطبیق داده‌های تجربی با مدل‌های نظری، شواهد “قطعی” مایعات اسپین کوانتومی را شناسایی و بر چالش‌هایی که سال‌ها مانع پیشرفت محققان بود، غلبه کرد.
اسپینون‌ها: اجزای سازنده مایعات اسپین کوانتومی
یکی از جذاب‌ترین جنبه‌های مایعات اسپین کوانتومی، پیدایش اسپینون‌ها است. در فیزیک کلاسیک، اسپین الکترون – که مانند یک آهنربای کوچک است – به صورت یک واحد کامل جهت خود را تغییر می‌دهد. اما در مایعات اسپین کوانتومی، این فرآیند کسری می‌شود.
به جای چرخش به عنوان یک واحد، اسپین یک الکترون به دو بخش مستقل به نام اسپینون تقسیم می‌شود. این ذرات عجیب، نیمی از درجه آزادی اسپین را حمل می‌کنند و مانند بارهای مغناطیسی رفتار می‌کنند. نکته جالب این است که برهم‌کنش بین اسپینون‌ها شبیه برهم‌کنش الکترون‌ها از طریق فوتون‌ها در الکترودینامیک کوانتومی (QED) است که نظریه‌ای اساسی در مدل استاندارد فیزیک ذرات است.
در مایعات اسپین کوانتومی، این برهم‌کنش‌ها توسط ذرات “نور مانند” میانجی‌گری می‌شوند، اما با تفاوت‌هایی اساسی. برای مثال، نور در این حالت بسیار کندتر حرکت می‌کند – حدود ۱۰۰ برابر کندتر از سرعت اسپینون‌ها – که منجر به پدیده‌هایی مانند تابش چرنکوف و افزایش تولید ذرات-ضد ذرات می‌شود.
پیامدهایی برای فناوری کوانتومی
کشف مایعات اسپین کوانتومی، پیامدهای مهمی برای فیزیک بنیادی و کاربردهای عملی دارد. موادی مانند پیروکلر سریم استانات، بستر مناسبی برای مطالعه پدیده‌های کوانتومی عجیب، از جمله کسری شدن و میدان‌های پیمانه‌ای نوظهور، فراهم می‌کنند.
از نظر فناوری، این یافته‌ها می‌توانند انقلابی در محاسبات کوانتومی ایجاد کنند. مایعات اسپین کوانتومی چارچوبی مناسب برای توسعه کیوبیت‌ها – واحدهای اصلی محاسبات کوانتومی – ارائه می‌دهند که کمتر در معرض خطاهای ناشی از اختلالات محیطی هستند. علاوه بر این، قابلیت تنظیم این مواد می‌تواند امکانات جدیدی را برای کاوش ذرات دوگانه مانند ویژن‌ها که بارهای الکتریکی را حمل می‌کنند و شبیه تک قطبی‌های مغناطیسی نظری هستند، فراهم کند.
فصلی نو در فیزیک
فراتر از پتانسیل فناوری آن، این کشف نقطه عطفی در درک ما از نیروهای بنیادی جهان است. محققان با برقراری ارتباط بین مایعات اسپین کوانتومی و نظریه‌های تثبیت‌شده مانند QED، راه‌های جدیدی را برای کاوش برهم‌کنش‌های ذرات در “جهان‌های آزمایشگاهی” ایجاد شده در مواد باز می‌کنند.
همانطور که آندری نویدومسکی بیان کرد، این کار نه تنها نظریه‌های قدیمی را تایید می‌کند، بلکه الهام‌بخش تحقیقات آینده در مورد پدیده‌هایی مانند ذرات تک قطبی مانند – ایده‌ای که حدود یک قرن پیش توسط فیزیکدان پل دیراک مطرح شد – است.
موفقیت این مطالعه، قدرت همکاری بین‌رشته‌ای، ترکیب نبوغ تجربی با دقت نظری برای حل یکی از پیچیده‌ترین معماهای فیزیک کوانتومی را نشان می‌دهد.
نتیجه‌گیری
تایید مایعات اسپین کوانتومی نقطه عطفی در علم بنیادی و فناوری کاربردی است. این پیشرفت با ارائه شواهدی از برانگیختگی‌های کسری و میدان‌های پیمانه‌ای نوظهور، نه تنها دهه‌ها مطالعات نظری را تایید می‌کند، بلکه درهایی را به روی پیشرفتهای انقلابی در محاسبات کوانتومی و فراتر از آن می‌گشاید. همچنان که محققان به کاوش این حالت‌های عجیب ماده ادامه می‌دهند، آینده فیزیک – و فناوری – هیجان‌انگیزتر از همیشه به نظر می‌رسد.
اگر به خواندن کامل این مطلب علاقه‌مندید، روی لینک مقابل کلیک کنید: scitechdaily
