دانشمندان فاز کوانتومی شگفت‌انگیزی را مشاهده کردند که پیش‌بینی نیم قرنه واقعیت شد
گروهی از محققان دانشگاه رایس اولین رصد مستقیم یک پدیده کوانتومی شگفت‌انگیز را گزارش دادند که بیش از پنجاه سال پیش پیش‌بینی شده بود و راه‌های جدیدی برای کاربردهای انقلابی در محاسبات کوانتومی، ارتباطات و سنجش گشود.
این پدیده که به «انتقال فاز ابرتابشی» (SRPT) شناخته می‌شود، زمانی رخ می‌دهد که دو مجموعۀ ذرات کوانتومی به‌صورت هماهنگ و جمعی و بدون محرک خارجی آغاز به نوسان می‌کنند و حالت جدیدی از ماده را به وجود می‌آورند. بر اساس مطالعۀ منتشرشده در Science Advances، این کشف در کریستالی متشکل از اربیوم، آهن و اکسیژن انجام گرفته که تا منفی ۴۵۷ فارنهایت خنک شده و در میدان مغناطیسی قدرتمندی تا ۷ تسلا (بیش از ۱۰۰هزار برابر میدان زمین) قرار داشته است.
🔗 بیشتر بخوانید: جنگنده چینی بهتر است یا اف ۱۶ آمریکایی؟_آینده
داسوم کیم، دانشجوی دکترای فیزیک کاربردی در رایس و نویسنده اصلی مطالعه، توضیح داد: «در ابتدا SRPT ناشی از برهم‌کنش بین نوسانات خلاء کوانتومی — میدان‌های نور کوانتومی که حتی در فضاهای کاملاً خالی وجود دارند — و نوسانات ماده تشکیل می‌شود. اما در کار ما، این انتقال با جفت کردن دو زیرسیستم مغناطیسی نزدیک به هم محقق شد: نوسانات اسپین یون‌های آهن و یون‌های اربیوم در کریستال.»
اسپین قطب‌های مغناطیسی الکترون‌ها یا ذرات دیگر را توصیف می‌کند و می‌توان آن را به‌مانند یک فلش کوچک متصل به هر ذره در نظر گرفت که مدام می‌چرخد و در جهت خاصی قرار می‌گیرد. وقتی اسپین‌ها در یک راستا چین شوند، الگوهای مغناطیسی در سراسر ماده شکل می‌گیرند. اگر این الگوی چرخش‌ها مانند موج در ماده lan بگذر، برانگیختگی جمعی حاصل «ماگنون» نامیده می‌شود.
🔗 بیشتر بخوانید: هوش مصنوعی تا این مدت حریف ریاضیدانان برتر نمی‌شود_آینده
تا پیش از این، امکان تحقق SRPT در سیستم‌های مبتنی بر نور به دلیل محدودیت نظری به نام «قضیه ممنوعۀ رفتن» مشکوک بود. محققان با قرار دادن این انتقال در کریستال مغناطیسی بر پایه برهم‌کنش دو زیرسیستم اسپین، موانع را دور زدند و نسخۀ مغناطیسی پدیده را محقق ساختند. به‌ویژه، ماگنون‌های یون آهن نقشی ایفا می‌کنند که سنتاً به نوسانات خلاء نسبت داده می‌شد، و اسپین‌های یون‌های اربیوم نوسانات ماده را نمایاندند.
با بهره‌گیری از تکنیک‌های پیشینۀ طیف‌سنجی، محققان نشانه‌های غیرقابل‌انکاری SRPT را مشاهده کردند: سیگنال انرژی یکی از حالت‌های چرخشی ناپدید شد و دیگری تحول یا پیچش آشکاری نشان داد. این اثر انگشت‌های طیف‌سنجی دقیقاً با پیش‌بینی‌های تئوری برای ورود به فاز ابرتابشی هم‌خوانی داشت و اطمینان زیادی به تیم داد که واقعاً حالتی را که سال‌هاست در جستجوی آن بودند، محقق کرده‌اند.
🔗 بیشتر بخوانید: نخستین پیوند همزمان ریه و کبد بین دو فرد HIV مثبت_آینده
کیم افزود: «ما یک جفت‌سازی بسیار قوی میان این دو سیستم چرخشی برقرار کردیم و SRPT را با موفقیت رصد نمودیم و بر محدودیت‌های تجربی قبلی غلبه کردیم.»
محققان نه تنها به دلیل تأیید پیش‌بینی فیزیک پنجاه‌ساله، بلکه به خاطر پیامدهای این پیش‌بینی برای فناوری کوانتومی، هیجان‌زده‌اند. حالت‌های کوانتومی جمعی در SRPT ویژگی‌های منحصر‌به‌فردی دارند که می‌توان از آنها برای نسل بعد فناوری‌های کوانتومي بهره برد.
کیم ادامه داد: «نزدیک نقطه بحرانی کوانتومی این انتقال، سیستم به‌صورت طبیعی حالت‌های فشرده کوانتومی را تثبیت می‌کند — جایی که نویز کوانتومی شدیداً کاهش می‌یابد — و دقۀ اندازه‌گیری را به میزان زیادی افزایش می‌دهد. این بینش می‌تواند سنسورهای کوانتومی و فناوری‌های محاسباتی را متحول سازد و وفاداری، حساسیت و کارایی آنها را به‌شکل قابل‌توجهی ارتقا دهد.»
سهیل داسگوپتا، فارغ‌التحصیل رایس که با کادن هازارد، استاد فیزیک و نجوم همکاری دارد، SRPT را به‌صورت نظری مدل‌سازی کرد بر پایه مدلی که موتوآکی بامبا، استاد دانشگاه ملی یوکوهاما، تدوین نموده بود.
داسگوپتا گفت: «اگرچه مدل ریاضی پایه قبلاً توسط موتوآکی ارائه شده بود، ما باید ویژگی‌های مغناطیسی خاص ماده را برای دستیابی به نتایج دقیق در نظر بگیریم. وقتی نظریه شما با داده‌های تجربی هم‌خوانی یابد — اتفاقی که به ندرت رخ می‌دهد — بهترین حس برای یک دانشمند است.»
هازارد تأکید کرد که این دستاورد نشان می‌دهد مفاهیم اپتیک کوانتومی را می‌توان به مواد جامد ترجمه کرد: «این راه جدیدی برای ساخت و کنترل فازهای ماده با بهره‌گیری از ایده‌های الکترودینامیک کوانتومی حفره باز می‌کند.»
علاوه بر این، کریستال مورد استفاده در این مطالعه نمونه‌ای از کلاس وسیع‌تری از مواد است، به‌معنای اینکه این تحقیق مسیر کاوش پدیده‌های کوانتومی در سایر مواد با اجزای مغناطیسی مشابه را هموار می‌سازد.
جونئیچیرو کونو، پروفسور کارل اف. هاسلمن، مهندس برق، مهندس مواد و مهندس علوم کامپیوتر، بیان کرد: «نمایش شکلی از SRPT که به‌صورت کامل با جفت‌سازی دو نوسان‌گر درونی ماده هدایت می‌شود، پیشرفتی مهم در فیزیک کوانتومی محسوب می‌شود و چارچوب نوینی برای درک و بهره‌برداری از برهم‌کنش‌های کوانتومی درونی در مواد فراهم می‌آورد.» این تحقیق با حمایت دفتر تحقیقات ارتش ایالات متحده (W911NF2110157)، بنیاد گوردون و بیتی مور (11520)، بنیاد رابرت‌ای (JPJSJRP20221202، JP24K21526)، بنیاد تحقیقات علوم و فناوری بینایی، وزارت انرژی ایالات متحده (DE-AC02-07CH11358) و بنیاد ملی علوم چین (12374116) انجام شده است. مسئولیت محتوا تنها بر عهده نویسندگان است و لزوماً بیانگر دیدگاه‌های رسمی مؤسسات مالی نیست.