مشاهده مستقیم فاز ابرتابشی در کریستال مغناطیسی؛ گشایشی در فیزیک کوانتومی پس از نیم قرن

مشاهده مستقیم فاز ابرتابشی در کریستال مغناطیسی؛ گشایشی در فیزیک کوانتومی پس از نیم قرن, تیمی از محققان دانشگاه رایس موفق به اولین مشاهده مستقیم یک پدیده کوانتومی شگفتانگیز شدند که بیش از پنجاه سال پیش از این پیشبینی شده بود. این کشف که در مجلهی ساینس ادوانسز منتشر شده، مسیرهای جدیدی را برای کاربردهای انقلابی در محاسبات کوانتومی، ارتباطات و سنجشهای دقیق باز کرده است. انتقال فاز ابرتابشی (SRPT) چیست؟

این پدیده که با نام انتقال فاز ابرتابشی (SRPT) شناخته میشود، زمانی رخ میدهد که دو گروه از ذرات کوانتومی بدون هیچ محرک خارجی، به صورت هماهنگ و جمعی آغاز به نوسان میکنند و یک حالت جدید از ماده را به وجود میآورند.

محققان این انتقال را در یک کریستال متشکل از اربیوم، آهن و اکسیژن مشاهده کردند که تا دمای منفی ۴۵۷ فارنهایت خنک شده و در معرض یک میدان مغناطیسی قوی تا ۷ تسلا (بیش از ۱۰۰ هزار برابر میدان مغناطیسی زمین) قرار داشت.

مکانیزم برهمکنش دو زیرسیستم مغناطیسی داسوم کیم، نویسنده اصلی این مطالعه و دانشجوی دکتری فیزیک کاربردی در دانشگاه رایس، توضیح میدهد در نظریه کلاسیک، SRPT ناشی از برهمکنش نوسانات خلاء کوانتومی و نوسانات ماده است.

اما در کار ما، این انتقال با جفت کردن دو زیرسیستم مغناطیسی در کریستال محقق شد؛ نوسانات اسپین یونهای آهن و یونهای اربیوم. اسپین قطبهای مغناطیسی الکترونها را توصیف میکند و میتوان آن را مانند یک فلش کوچک در نظر گرفت که به هر ذره متصل است.

وقتی این اسپینها در یک راستا قرار میگیرند، الگوهای مغناطیسی در سراسر ماده تشکیل میشوند و اگر این الگو به صورت موجی پراکنده شود، برانگیختگی جمعی حاصل ماگنون نامیده میشود. دور زدن قضیه ممنوعه رفتن در فیزیک نظری تا پیش از این، محققان معتقد بودند که SRPT در سیستمهای مبتنی بر نور به دلیل محدودیت شناخته شده به نام قضیه ممنوعه رفتن محقق نمیشود.

با این حال، تیم تحقیقاتی با قرار دادن این انتقال در یک کریستال مغناطیسی بر پایه برهمکنش بین دو زیرسیستم اسپین، موفق به دور زدن این مانع شدند. در این معماری، ماگنونهای یون آهن نقش نوسانات خلاء را ایفا میکنند و اسپینهای یونهای اربیوم نماینده نوسانات ماده هستند.

شواهد تجربی غیرقابل انکار با بهرهگیری از تکنیکهای پیشرفته طیفسنجی، محققان نشانههای قطعی SRPT را رصد کردند؛ سیگنال انرژی یکی از حالتهای چرخشی ناپدید شد و حالت دیگر تحولی آشکار و پیچیده نشان داد. این اثر انگشتهای طیفسنجی به طور دقیق با پیشبینیهای تئوریک برای ورود به فاز ابرتابشی مطابقت داشت و اطمینان زیادی به تیم داد که واقعاً حالت مورد جستجوی دههها را محقق کردهاند.

امکانات فناوریهای کوانتومی نسل بعد کیم تأکید میکند ما یک جفتسازی فوقالعاده قوی بین دو سیستم چرخشی برقرار کردیم و SRPT را با موفقیت مشاهده نمودیم. محققان نه تنها به دلیل تأیید یک پیشبینی ۵۰ ساله، بلکه به خاطر پیامدهای این پدیده برای فناوری کوانتومی، شوقزدهاند. حالتهای کوانتومی جمعی در SRPT ویژگیهای منحصر به فردی دارند که میتوان برای حسگرهای کوانتومی و فناوریهای محاسباتی نسل آینده بهره برد.

کیم میافزاید نزدیک نقطه بحرانی کوانتومی این انتقال، سیستم به طور طبیعی حالتهای فشرده کوانتومی را تثبیت میکند — جایی که نویز کوانتومی به شدت کاهش مییابد — و دقت اندازهگیری را به شدت ارتقا میدهد.

این بینش میتواند وفاداری، حساسیت و کارکرد حسگرها و پردازندههای کوانتومی را متحول سازد. تئوری و تجربه تطابق بینظیر سهیل داسگوپتا، محقق دیگر تیم، مدلسازی نظری SRPT را بر پایه کار موتوآکی بامبا، استاد دانشگاه ملی یوکوهاما، انجام داد. او بیان میکند اگرچه مدل ریاضی پایه قبلاً وجود داشت، ما باید ویژگیهای مغناطیسی خاص ماده را در نظر بگیریم تا نتایج دقیق به دست آید.

وقتی نظریه با دادههای تجربی همخوانی کامل دارد — که به ندرت رخ میدهد — بهترین حس برای یک دانشمند ایجاد میشود. افاق جدید در فیزیک ماده چگال کادن هازارد، دانشیار فیزیک و نجوم، این دستاورد را دلیلی بر امکان ترجمه مفاهیم اپتیک کوانتومی به مواد جامد میداند و میگوید این کار راه جدیدی برای مهندسی و کنترل فازهای ماده با بهرهگیری از ایدههای الکترودینامیک کوانتومی حفره باز میکند. جونیشیرو کونو، پروفسور مهندسی برق و علوم مواد، نیز این کشف را پیشرفتی مهم در فیزیک کوانتومی توصیف میکند که چارچوبی نوین برای درک و بهرهبرداری از برهمکنشهای کوانتومی درونی در مواد فراهم میآورد.

کریستال مورد مطالعه نیز نمونهای از کلاس وسیعی از مواد است، بنابراین این تحقیق دروازه کاوش پدیدههای کوانتومی مشابه در مواد مغناطیسی دیگر را گشوده است.