کشف بیسابقه ۲۰ حالت کوانتومی نهان در موآرههای دوبعدی بدون نیاز به میدان مغناطیسی
کشف بیسابقه ۲۰ حالت کوانتومی نهان در موآرههای دوبعدی بدون نیاز به میدان مغناطیسی, مکانیک کوانتومی بر رفتار ذرات بنیادی حاکم است؛ دنیایی که در آن قوانین فیزیک کلاسیک دیگر صدق نمیکنند و پدیدههای عجیبی تنها در دماهای بسیار پایین یا فشارهای بالا نمود مییابند. اکثر این پدیدهها ریشه در حرکت جمعی و پیچیده ذرات دارند و تا پیش از این بیشتر در چارچوب تئوری باقی مانده بودند.
با این حال، یک تیم تحقیقاتی بینالمللی اکنون موفق به ثبت و مشاهده حالات کوانتومی نوین و نادری شده است. مشاهده حالات کوانتومی تازه در یک ماده دوبعدی به گزارش صبح زود، محققان از ژاپن و ایالات متحده توانستهاند چندین حالت کوانتومی پیشینندیده را در یک ماده دوبعدی از خانواده موآرهها شناسایی کنند. این دستاورد، ماده مورد بررسی را به مجموعه در حال گسترش باغوحش کوانتومی میافزاید.
استاد شیائویانگ ژو از دانشگاه کلمبیا، نویسنده ارشد این مطالعه، بیان داشت برخی از این حالات هرگز قبلاً مشاهده نشده بودند و ما انتظار نداشتیم این تعداد از حالات تازه را بیابیم. تکنیک نوری پیشرفته برای ردیابی حالات پنهان برای شناسایی این حالات پنهان، دانشمندان ناچار به توسعه یک روش نوری نوآورانه شدند.
آنها با بهرهگیری از تکنیکی به نام طیفسنجی پمپ-پروب، موفق شدند نزدیک به ۲۰ حالت کوانتومی پنهان را در مادهای به نام دیفنیلدیتلورید مولیبدن درهمتنیده کشف کنند. این ماده یکی از نمونههای بارز ساختاری موآره دوبعدی محسوب میشود. ساختار موآره و اثرات آن بر برهمکنشهای الکترونی مواد موآره از روی هم قرار دادن دو لایه اتمی با اندکی اختلاف زاویه یا جابجایی شکل میگیرند.
این جابجایی ظریف، بروز الگوهای بزرگمقیاس و موجمانند موسوم به الگوهای موآره را به همراه دارد. در چنین ساختاری، برهمکنشهای الکترونی تقویت شده و بستر ظهور حالات کوانتومی توپولوژیکی را فراهم میآورند. رایانش کوانتومی توپولوژیکی؛ پایداری در برابر خطا حالات کوانتومی توپولوژیکی، طیف خاصی از حالات هستند که به دلیل پایداری ذاتی، نقش کلیدی در توسعه رایانههای کوانتومی مقاوم در برابر خطا ایفا میکنند.
برخلاف کیوبیتهای معمولی که بسیار شکنندهاند، این حالات قادرند اطلاعات را در برابر نویزهای محیطی حفظ نمایند. چالش اصلی تحقق این حالات، ضرورت وجود میدان مغناطیسی خارجی قوی بود که خود میتواند عملکرد کیوبیتها را مختل سازد. در این پژوهش، محققان با بهرهگیری از ویژگیهای درونی ماده و بدون نیاز به میدان مغناطیسی خارجی، پدیده تأثیر هال کوانتومی کسری را محقق ساختند.
شبهذرات و آنیونها؛ فیزیک فراتر از تصورات کلاسیک در پدیده تأثیر هال کوانتومی کسری، الکترونها به صورت جمعی رفتاری متفاوت از حالت عادی نشان میدهند و ذراتی به نام شبهذرات تشکیل میدهند. این شبهذرات که انیون نامیده میشوند، ویژگیهایی دارند که نه شبیه الکترونها هستند و نه فوتونها.
معمولاً مشاهده آنیونها مستلزم اعمال میدان مغناطیسی قوی است، اما ساختار درهمتنیده ماده موآره یک میدان مغناطیسی درونی ذاتی ایجاد میکند که امکان مشاهده این پدیده را بدون میدان خارجی فراهم آورده است. کنترل و ثبت حالات کوانتومی با پالسهای لیزری در فرآیند مشاهده، پژوهشگران 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، امکان شناسایی دقیق دینامیک و ویژگیهای ۲۰ حالت پنهان را فراهم آورد؛ اگرچه برخی از این حالات پیشتر گزارش شده بودند، اما تعداد قابل توجهی از آنها کاملاً نوین و بیسابقه هستند. گامی استراتژیک به سوی رایانههای کوانتومی نسل آینده مرحله بعدی این تیم تحقیقاتی، تحلیل و طبقهبندی دقیق این حالات تازه کشفشده است تا مشخص گردد کدام یک پتانسیل کاربرد در رایانش کوانتومی را دارند.
این کشف میتواند نقش تعیینکنندهای در پیشبرد رایانههای کوانتومی پایدار و مقاوم ایفا نماید. نتایج این پژوهش پیشگامانه در نشریه معتبر نچر منتشر شده و به عنوان یکی از پیشرفتهای مهم در حوزه فیزیک مواد دوبعدی و کوانتومی شناخته شده است.