علم مکانیک کوانتومی بر دنیای ذرات بنیادی حاکم است؛ جایی که حرکت ذرات از قوانین کلاسیک پیروی نمی‌کند و اتفاق‌هایی رخ خواهند داد که تنها در دماهای زیاد پایین یا فشارهای بالا قابل مشاهده‌اند. این اتفاق‌ها زیاد تر نتیجه‌ی حرکت جمعی و پیچیده‌ی ذرات می باشند و تا بحال زیاد تر آن‌ها در حد تئوری باقی مانده‌اند. اما اکنون، پژوهشی بین‌المللی موفق به ثبت حالت‌های کوانتومی تازه و نادر شده است.

مشاهده حالت‌های تازه کوانتومی در ماده‌ای دوبُعدی

به گزارش آی‌ای، گروهی از پژوهشگران از ژاپن و آمریکا موفق شده‌اند چندین حالت کوانتومی تازه را در یک ماده دو‌بعدی از نوع موآره شناسایی کنند؛ حالاتی که پیش‌تر در دنیای فیزیک کوانتومی دیده نشده بودند. این یافته‌ها، ماده‌ی تازه را به فهرست در حال رشد «باغ‌وحش کوانتومی» (Quantum Zoo) اضافه می‌کند.

پروفسور شیائویانگ ژو (Xiaoyang Zhu) از دانشگاه کلمبیا و نویسنده ارشد این مقاله اظهار داشت:

«برخی از این حالت‌ها هیچ زمان قبلاً مشاهده نشده بودند و ما انتظار نداشتیم این‌همه حالت تازه را ببینیم.»

فناوری نوری نوآورانه برای شناسایی حالت‌های نهان

برای شناسایی این حالت‌های نهان، پژوهشگران ناچار به گسترش فناوری نوری جدیدی شدند. آنها با منفعت‌گیری از تکنیکی موسوم به «طیف‌سنجی دمش-کاوش» (Pump-Probe Spectroscopy)، موفق شدند نزدیک به ۲۰ حالت کوانتومی نهان را در ماده‌ای به نام دی‌فنیل‌دی‌تلورید مولیبدن درهم‌تنیده (tMoTe2) کشف کنند. این ماده یکی از مثالهای ساختاری موآره دو‌بعدی است.

ساختار موآره چیست؟

مواد موآره از قرار دادن دو لایه‌ی اتمی روی یکدیگر با اندکی اختلاف زاویه یا جابجایی تشکیل خواهد شد. این جابجایی ظریف، تبدیل تشکیل الگوهای بزرگ‌مقیاس و موج‌همانند موسوم به «الگوهای موآره» می‌شود. در این ساختارها، برهم‌کنش‌های الکترونی تحکیم شده و می‌توانند تبدیل ظهور حالت‌های کوانتومی توپولوژیکی شوند.

رایانش کوانتومی توپولوژیکی؛ آینده‌ای بدون اشتباه

حالت‌های کوانتومی توپولوژیکی، نوع خاصی از حالات کوانتومی می باشند که به علت پایداری ذاتی‌شان، نقش کلیدی در گسترش رایانه‌های کوانتومی مقاوم در برابر اشتباه ایفا می‌کنند. برخلاف کیوبیت‌های معمولی که زیاد شکننده‌اند، این حالت‌ها می‌توانند اطلاعات را در برابر اختلالات محیطی نگه داری کنند.

اما چالش مهم تشکیل این حالت‌ها، نیاز به میدان مغناطیسی خارجی قوی می بود که خود می‌تواند کارکرد کیوبیت‌ها را مختل کند. در این پژوهش، دانشمندان موفق شدند بدون منفعت گیری از میدان مغناطیسی خارجی، با منفعت‌گیری از ویژگی‌های درونی ماده tMoTe2، به اتفاق‌ی موسوم به «تاثییر کسری کوانتومی هال» (Fractional Quantum Hall Effect) دست یابند.

شبه‌ذرات و آنیون‌ها؛ فیزیک فراتر از فکر

در اتفاق‌ی تاثییر کسری کوانتومی هال، الکترون‌ها به طور جمعی رفتاری متفاوت از حالت عادی نشان خواهند داد و ذراتی موسوم به شبه‌ذرات (quasi-particles) شکل می‌گیرند. این شبه‌ذرات که آنیون (anyon) نامیده خواهد شد، ویژگی‌هایی دارند که نه به الکترون‌ها شباهت دارند و نه به فوتون‌ها.

در حالت عادی، مشاهده‌ی آنیون‌ها نیازمند اعمال میدان مغناطیسی قوی است، اما ماده‌ی موآره tMoTe2 به علت ساختار درهم‌تنیده‌اش، میدان مغناطیسی درونی تشکیل می‌کند و امکان مشاهده این تاثییر را بدون نیاز به میدان خارجی فراهم می‌سازد.

کنترل حالت‌های کوانتومی با لیزر

در فرآیند مشاهده، پژوهشگران از یک پالس لیزری اولیه برای تشکیل اختلال موقتی در حالت‌های کوانتومی منفعت گیری کردند و سپس با پالس دوم، این حالت‌ها را کنترل و ثبت کردند. این تکنیک پیشرفته، به آن‌ها اجازه داد تا حرکت دقیق و ویژگی‌های ۲۰ حالت نهان را شناسایی کنند؛ برخی از این حالت‌ها قبلاً ثبت شده بودند اما چندین مورد کاملاً تازه بودند.

گامی به سوی رایانه‌های کوانتومی نسل آینده

مقصد بعدی این تیم تحقیقاتی، تحلیل و دسته‌بندی این حالت‌های تازه کشف‌شده است تا اشکار شود کدام‌یک از آن‌ها قابلیت منفعت گیری در رایانش کوانتومی را دارند. این کشف می‌تواند نقش مهمی در گسترش رایانه‌های کوانتومی مقاوم و پایدار ایفا کند.

این پژوهش پیشگامانه در نشریه معتبر Nature انتشار شده و به گفتن یکی از پیشرفت‌های مهم در حوزه فیزیک کوانتومی مواد دو‌بعدی شناخته شده است.