وضعیت کوانتومی غیرمعمول ماده برای اولین بار مشاهده شد

11 مه 2022 -توسط مارتین لاسال، دانشگاه مونترال-نمونه‌ای از آهنربا مبتنی بر سریم، Ce2Zr2O7، که در آزمایشگاه آندریا بیانچی طراحی شده است. اعتبار: دانشگاه مونترال

روزی نیست که کسی با وضعیت جدیدی از ماده در فیزیک کوانتومی روبرو  نشود، حوزه علمی که به توصیف رفتار ذرات اتمی و زیر اتمی اختصاص دارد تا خواص آنها را روشن کند.

با این حال این دقیقاً همان کاری است که یک تیم بین المللی از محققان شامل آندریا بیانچی، استاد فیزیک دانشگاه مونترال و محقق در Regroupement québécois sur les matériaux de pointe، و شاگردانش Avner Fitterman و Jérémi Dudemaine انجام داده اند.

در مقاله‌ای که اخیراً در مجله علمی Physical Review X منتشر شده است، محققان یک “حالت پایه مایع اسپین کوانتومی” را در یک ماده مغناطیسی ایجاد شده در آزمایشگاه Bianchi مستند می‌کنند: Ce2Zr2O7، ترکیبی متشکل از سریم، زیرکونیوم و اکسیژن.مانند مایعی که درون یک جامد بسیار سرد قفل شده است.

در فیزیک کوانتومی، اسپین یک ویژگی درونی الکترون ها است که به چرخش آنها مرتبط است. این اسپین است که به ماده موجود در آهنربا خاصیت مغناطیسی می دهد.در برخی از مواد، اسپین منجر به ساختاری نامرتب مشابه ساختار مولکول‌های موجود در مایع می‌شود، از این رو اصطلاح «مایع چرخشی» به آن گفته می‌شود.

به طور کلی، یک ماده با افزایش دمای آن بی نظم تر می شود. مثلاً زمانی که آب به بخار تبدیل می شود اینگونه است. اما ویژگی اصلی مایعات چرخشی این است که حتی زمانی که تا صفر مطلق (-273 درجه سانتیگراد) خنک شوند، به هم ریخته می مانند.مایعات چرخشی به هم ریخته می مانند، زیرا جهت چرخش همچنان با سرد شدن مواد به جای تثبیت در حالت جامد، در نوسان است، همانطور که در یک آهنربای معمولی که در آن همه چرخش ها در یک راستا قرار دارند، این کار را انجام می دهد.

هنر “ناامیدکننده” الکترون ها

یک الکترون را به عنوان یک قطب نمای کوچک تصور کنید که به سمت بالا یا پایین اشاره می کند. در آهن‌رباهای معمولی، اسپین‌های الکترون همگی در یک جهت بالا یا پایین جهت‌گیری می‌کنند و چیزی را ایجاد می‌کنند که به عنوان «فاز فرومغناطیسی» شناخته می‌شود. این چیزی است که عکس‌ها و یادداشت‌ها را به یخچال شما سنجاق می‌کند.

اما در مایعات اسپین کوانتومی، الکترون ها در یک شبکه مثلثی قرار می گیرند و یک “ménage à trois” را تشکیل می دهند که با تلاطم شدید مشخص می شود که نظم آنها را مختل می کند. نتیجه یک تابع موج درهم تنیده و بدون نظم مغناطیسی است.

بیانچی توضیح داد: «وقتی الکترون سوم اضافه می‌شود، اسپین‌های الکترون نمی‌توانند در یک راستا قرار گیرند، زیرا دو الکترون همسایه باید همیشه اسپین‌های متضاد داشته باشند و چیزی که ما آن را سرخوردگی یا ناامیدی مغناطیسی می‌نامیم ایجاد می‌کند. “این باعث ایجاد تحریکاتی می شود که اختلال چرخش و در نتیجه حالت مایع را حتی در دماهای بسیار پایین حفظ می کند.”

پس چگونه آنها یک الکترون سوم را اضافه کردند و باعث چنین ناامیدی شدند؟

ایجاد یک ménage à trois

آهنربای سرخورده Ce2Zr2O7 که توسط Bianchi در آزمایشگاه او ایجاد شده است را وارد کنید. اکنون می‌توانیم «استاد هنر آهنرباهای ناامیدکننده» را به فهرست طولانی دستاوردهای او در توسعه مواد پیشرفته مانند ابررساناها اضافه کنیم.

Ce2Zr2O7 یک ماده بر پایه سریم با خواص مغناطیسی است. بیانچی گفت: وجود این ترکیب مشخص بود. ما از نمونه‌های ذوب شده در یک کوره نوری برای تولید آرایش مثلثی تقریباً کاملی از اتم‌ها استفاده کردیم و سپس حالت کوانتومی را بررسی کردیم.

این مثلث تقریباً کامل بود که بیانچی و تیمش در UdeM را قادر ساخت تا در Ce2Zr2O7 ناامیدی مغناطیسی ایجاد کنند. آنها با همکاری محققان دانشگاه های ایالتی مک مستر و کلرادو، آزمایشگاه ملی لوس آلاموس و موسسه فیزیک سیستم پیچیده ماکس پلانک در درسدن، آلمان، انتشار مغناطیسی ترکیب را اندازه گرفتند.

بیانچی می‌گوید: «اندازه‌گیری‌های ما یک تابع ذرات همپوشانی را نشان داد – بنابراین هیچ قله‌ی براگی وجود ندارد – نشانه‌ای واضح از عدم وجود نظم مغناطیسی کلاسیک. ما همچنین توزیعی از اسپین‌ها را با جهت‌های دائمی در نوسان مشاهده کردیم که مشخصه مایعات اسپین و سرخوردگی مغناطیسی است. این نشان می‌دهد که ماده‌ای که ما ایجاد کردیم مانند یک مایع چرخشی واقعی در دماهای پایین رفتار می‌کند.

از رویا تا واقعیت

پس از تأیید این مشاهدات با شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای، تیم به این نتیجه رسیدند که آنها واقعاً شاهد یک وضعیت کوانتومی هستند که قبلاً دیده نشده بود.

بیانچی گفت: شناسایی یک حالت کوانتومی جدید ماده برای هر فیزیکدانی رویایی است که به حقیقت پیوسته است. “مواد ما انقلابی است زیرا ما اولین کسی هستیم که نشان دادیم می تواند به صورت مایع چرخشی ارائه شود. این کشف می تواند دری را برای رویکردهای جدید در طراحی کامپیوترهای کوانتومی باز کند.”

آهنرباهای ناامید به طور خلاصه

مغناطیس پدیده ای جمعی است که در آن الکترون های یک ماده همه در یک جهت می چرخند. یک مثال روزمره فرومغناطیس است که خاصیت مغناطیسی خود را مدیون تراز اسپین ها است. الکترون های همسایه نیز می توانند در جهت مخالف بچرخند. در این حالت، چرخش ها هنوز جهت های مشخصی دارند اما هیچ مغناطیسی وجود ندارد. آهنرباهای سرخورده ناامید می شوند زیرا الکترون های همسایه سعی می کنند اسپین های خود را در جهات مخالف جهت دهی کنند و هنگامی که خود را در یک شبکه مثلثی می بینند، دیگر نمی توانند روی یک آرایش مشترک و پایدار قرار گیرند. نتیجه: یک آهنربای ناامید.