انقلاب در دنیای کوانتوم؛ کشف ۲۰ حالت کوانتومی نهان بدون نیاز به میدان مغناطیسی
مکانیک کوانتوم بر رفتار ذرات بنیادی حاکم است؛ محیطی که در آن حرکت ذرات از قوانین کلاسیک پیروی نمی‌کند و پدیده‌هایی تنها در دماهای بسیار پایین یا فشارهای بالا قابل رصد می‌باشند. این پدیده‌ها بیشتر ناشی از حرکت جمعی و پیچیده ذرات هستند و تا کنون بیشتر در سطح تئوری مانده‌اند، اما اکنون یک تحقیق بین‌المللی موفق به ثبت حالت‌های کوانتومی نوین و نادری شده است.
مشاهده حالت‌های تازه کوانتومی در ماده‌ای دوبُعدی
به گزارش آینده، تیمی از محققان ژاپن و آمریکا توانسته‌اند چندین حالت کوانتومی پیشین‌نشده را در یک ماده دو‌بعدی از جنس موآره شناسایی کنند؛ حالاتی که تا به حال در فیزیک کوانتوم مشاهده نشده‌بودند. این دستاوردها، ماده جدید را به فهرست در حال گسترش «باغ‌وحش کوانتومی» (Quantum Zoo) می‌افزایند.
🔗 بیشتر بخوانید: این گوشی ها با حذف GPS از کار خواهند افتاد_آینده
استاد شیائویانگ ژو (Xiaoyang Zhu) از دانشگاه کلمبیا و نویسنده ارشد مقاله بیان کرد:
«برخی از این حالت‌ها هرگز پیش‌تر رصد نشده بودند و ما انتظار نداشتیم این‌همه حالت جدید را ببینیم.»
🔗 بیشتر بخوانید: دانشمندان «سن دقیق پیر شدن» را کشف کردند_آینده
فناوری نوری نوآورانه برای شناسایی حالت‌های نهان
برای آشکار کردن این حالت‌های پنهان، محققان مجبور به توسعه یک تکنیک نوری نوین شدند. آن‌ها با بهره‌گیری از روش «طیف‌سنجی پمپ-پروب» (Pump-Probe Spectroscopy)، موفق شدند نزدیک به ۲۰ حالت کوانتومی پنهان را در ماده‌ای به نام دی‌فنیل‌دی‌تلورید مولیبدن درهم‌تنیده (tMoTe2) کشف کنند. این ماده یکی از نمونه‌های ساختاری موآره دو‌بعدی است.
ساختار موآره چیست؟
مواد موآره از روی هم‌گذاری دو لایه اتمی با یک اختلاف زاویه یا جابجایی جزئی تشکیل می‌شوند. این جابجایی ظریف، تبدیل به الگواهای بزرگ‌مقیاس و موج‌مانند موسوم به «الگوی موآره» می‌گردد. در این ساختارها، برهم‌کنش‌های الکترونیکی تقویت شده و می‌تواند بروز حالت‌های کوانتومی توپولوژیکی را فراهم سازد.
🔗 بیشتر بخوانید: هذیان بعد از جراحی قلب؛ مشکل رایج برای بیماران مسن و مبتلا به بیماری‌های مزمن_آینده
رایانش کوانتومی توپولوژیکی؛ آینده‌ای بدون اشتباه
حالت‌های کوانتومی توپولوژیکی، گونه‌ای خاص از حالات کوانتومی‌اند که به دلیل پایداری ذاتی، نقش کلیدی در توسعهٔ رایانه‌های کوانتومی مقاوم در برابر خطا ایفا می‌کنند. برخلاف کیوبیت‌های معمولی که بسیار شکننده‌اند، این حالت‌ها می‌توانند اطلاعات را در برابر نویز محیطی حفظ کنند. چالش اصلی برپا کردن این حالت‌ها، نیاز به میدان مغناطیسی خارجی قوی بوده که خود می‌تواند عملکرد کیوبیت‌ها را مختل کند. در این پژوهش، دانشمندان بدون استفاده از میدان مغناطیسی خارجی، با بهره‌گیری از ویژگی‌های درونی ماده tMoTe2، به پدیده «تأثیر کسری کوانتومی هال» (Fractional Quantum Hall Effect) دست یافتند.
شبه‌ذرات و آنیون‌ها؛ فیزیک فراتر از فکر
در پدیده تأثیر کسری کوانتومی هال، الکترون‌ها به صورت جمعی رفتاری متفاوت از حالت عادی نشان می‌دهند و ذراتی به نام شبه‌ذرات (quasi-particles) شکل می‌گیرند. این شبه‌ذرات که آنیون (anyon) نامیده می‌شوند، ویژگی‌هایی دارند که نه شبیه الکترون‌ها هستند و نه فوتون‌ها. در شرایط معمول، رصد آنیون‌ها نیازمند اعمال میدان مغناطیسی قوی است، اما ماده موآره tMoTe2 به دلیل ساختار درهم‌تنیده‌اش، میدان مغناطیسی درونی ایجاد می‌کند و امکان مشاهده این پدیده را بدون نیاز به میدان خارجی می‌سازد.
کنترل حالت‌های کوانتومی با لیزر
در فرآیند رصد، محققان از یک پالس لیزری اولیه برای ایجاد اختلال موقتی در حالات کوانتومی استفاده کردند و سپس با پالس دوم، این حالات را کنترل و ثبت نمودند. این تکنیک پیشرفته، به آن‌ها اجازه داد تا حرکت دقیق و ویژگی‌های ۲۰ حالت پنهان را شناسایی کنند؛ برخی از این حالات پیش‌تر ثبت شده بودند اما تعداد قابل‌توجهی کاملاً نوین بودند.
گامی به سوی رایانه‌های کوانتومی نسل آینده
مرحله بعدی این تیم تحقیقاتی، تحلیل و دسته‌بندی این حالات تازه کشف‌شده است تا مشخص گردد کدام یک از آن‌ها قابلیت کاربرد در رایانش کوانتومی را دارند. این کشف می‌تواند نقشی مهم در توسعه رایانه‌های کوانتومی پایدار و مقاوم ایفا کند. این پژوهش پیشگامانه در نشریه معتبر Nature منتشر شده و به عنوان یکی از پیشرفت‌های مهم در حوزه فیزیک کوانتوم مواد دو‌بعدی شناخته شده است.