کشف یک حالت کوانتومی جدید مشابه آب که یخ نمی زند

کنش و وااکنش های شگفت انگیز از الکترون ها

آبی که به سادگی یخ نمی زند، مهم نیست که چقدر سرد می شود – یک گروه تحقیقاتی شامل Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) یک حالت کوانتومی را کشف کرده است که می تواند به این شکل توصیف شود.

کارشناسان مؤسسه فیزیک حالت جامد در دانشگاه توکیو در ژاپن، دانشگاه جان هاپکینز در ایالات متحده و مؤسسه ماکس پلانک برای فیزیک سیستم های پیچیده (MPI-PKS) در درسدن، آلمان، موفق به خنک کردن یک دستگاه خاص شدند. مواد تا دمای نزدیک به صفر مطلق .

آنها دریافتند که یک ویژگی مرکزی اتم ها – هم ترازی آنها – طبق معمول “منجمد” نمی شود، بلکه در حالت “مایع” باقی می ماند. این ماده کوانتومی جدید می تواند به عنوان یک سیستم مدل برای توسعه حسگرهای کوانتومی جدید و بسیار حساس عمل کند. این تیم یافته های خود را در مجله Nature Physics ارائه کرده است.

در نگاه اول، مواد کوانتومی تفاوتی با مواد معمولی به نظر نمی‌رسند، اما مطمئناً کار خودشان را می‌کنند: در داخل، الکترون‌ها با شدت غیرعادی، هم با یکدیگر و هم با اتم‌های شبکه بلوری برهمکنش می‌کنند. این تعامل صمیمی منجر به اثرات کوانتومی قدرتمندی می شود که نه تنها در مقیاس میکروسکوپی، بلکه در مقیاس ماکروسکوپی نیز عمل می کند.

به لطف این اثرات، مواد کوانتومی خواص قابل توجهی از خود نشان می دهند. به عنوان مثال، آنها می توانند الکتریسیته را کاملاً بدون تلفات در دماهای پایین هدایت کنند. اغلب، حتی تغییرات جزئی در دما، فشار یا ولتاژ الکتریکی برای تغییر شدید رفتار مواد کافی است.

در اصل، آهن ربا را می توان به عنوان مواد کوانتومی نیز در نظر گرفت. به هر حال، مغناطیس بر اساس اسپین ذاتی الکترون‌های موجود در ماده است. پروفسور Jochen Wosnitza از آزمایشگاه مغناطیسی میدان بالا درسدن (HLD) در HZDR توضیح می دهد: “از برخی جهات، این چرخش ها می توانند مانند یک مایع رفتار کنند.” با کاهش دما، این چرخش های نامنظم می توانند یخ بزنند، درست مانند یخ زدن آب به یخ.

به عنوان مثال، نوع خاصی از آهنرباها، به اصطلاح فرومغناطیس، غیرمغناطیسی بالای “انجماد” یا به طور دقیق تر از نقطه سفارش هستند. فقط وقتی به زیر آن بیفتند می توانند به آهنرباهای دائمی تبدیل شوند.

مواد با خلوص بالا

تیم بین المللی قصد داشت حالت کوانتومی ایجاد کند که در آن تراز اتمی که با اسپین ها مرتبط است، حتی در دماهای فوق سرد مرتب نمی شود – شبیه به مایعی که حتی در سرمای شدید جامد نمی شود. برای دستیابی به این وضعیت، گروه تحقیقاتی از یک ماده خاص استفاده کرد – ترکیبی از عناصر، پرازئودیمیم، زیرکونیوم و اکسیژن. آنها فرض کردند که در این ماده، ویژگی‌های شبکه کریستالی، اسپین‌های الکترون را قادر می‌سازد تا با اوربیتال‌های خود در اطراف اتم‌ها به شیوه‌ای خاص برهمکنش داشته باشند.

از دانشگاه توکیو توضیح می دهد: “با این حال، پیش نیاز، داشتن کریستال هایی با خلوص و کیفیت فوق العاده بود.” چندین تلاش طول کشید، اما در نهایت تیم توانست کریستال‌هایی را به اندازه کافی خالص برای آزمایش خود تولید کند: در یک کرایواستات، نوعی فلاسک فوق‌العاده قمقمه، کارشناسان به تدریج نمونه خود را تا ۲۰ میلی‌کلوین خنک کردند – فقط یک پنجاهم درجه بالاتر از مطلق. صفر

برای اینکه ببینند نمونه چگونه به این فرآیند خنک‌سازی و در داخل میدان مغناطیسی واکنش نشان می‌دهد ، اندازه‌گیری کردند که طول آن چقدر تغییر کرده است. در آزمایش دیگری، این گروه نحوه واکنش کریستال به امواج اولتراسوند را که مستقیماً از طریق آن ارسال می شود، ثبت کردند.

یک تعامل صمیمی

نتیجه: دکتر سرگئی ژرلیتسین، کارشناس HLD در تحقیقات اولتراسوند، توضیح می دهد: «اگر چرخش ها دستور داده شده بود، باید باعث تغییر ناگهانی در رفتار کریستال، مانند تغییر ناگهانی طول شود». “با این حال، همانطور که مشاهده کردیم، هیچ اتفاقی نیفتاد! هیچ تغییر ناگهانی در طول یا در پاسخ آن به امواج اولتراسوند وجود نداشت.”

نتیجه: فعل و انفعال مشخص اسپین ها و اوربیتال ها مانع از نظم دهی شده بود، به همین دلیل است که اتم ها در حالت کوانتومی مایع خود باقی ماندند – اولین باری که چنین حالت کوانتومی مشاهده شد. تحقیقات بیشتر در زمینه های مغناطیسی این فرض را تایید کرد.

این نتیجه تحقیقات پایه می‌تواند روزی پیامدهای عملی نیز داشته باشد: “در برخی مواقع ممکن است بتوانیم از حالت کوانتومی جدید برای توسعه حسگرهای کوانتومی بسیار حساس استفاده کنیم.” با این حال، برای انجام این کار، ما هنوز باید چگونگی ایجاد تحریک در این حالت را به طور سیستماتیک کشف کنیم.

سنجش کوانتومی به عنوان یک فناوری امیدوارکننده در آینده در نظر گرفته می شود. از آنجایی که ماهیت کوانتومی آنها آنها را به محرک های خارجی بسیار حساس می کند، حسگرهای کوانتومی می توانند میدان های مغناطیسی یا دما را با دقت بسیار بیشتری نسبت به حسگرهای معمولی ثبت کنند.

اطلاعات بیشتر: Satoru Nakatsuji، حالت مایع چرخشی مداری و انتقال متامغناطیسی مایع-گاز بر روی یک شبکه پیروکلر، فیزیک طبیعت (۲۰۲۲).

DOI: 10.1038/s41567-022-01816-4

اطلاعات مجله: فیزیک طبیعت

ارائه شده توسط انجمن هلمهولتز از مراکز تحقیقاتی آلمان

https://phys.org/news/2022-12-discovery-quantum-state-analogous-wont.html