نظم مغناطیسی پنهان میتواند کلید گشایش ابررسانایی باشد
رکنا: فیزیکدانان ارتباطی غیرمنتظره میان مغناطیس و «شبهگاف» شناسایی کردهاند؛ مرحلهای معماگونه از ماده که در برخی مواد کوانتومی درست پیش از آنکه به حالت ابررسانایی برسند ظاهر میشود. این بینش میتواند به پژوهشگران در توسعه مواد جدید با ویژگیهای ارزشمند، از جمله ابررسانایی در دماهای بالا ـ جایی که برق بدون اتلاف انرژی منتقل میشود ـ کمک کند.
به گزارش گروه ترجمه رکنا، به نقل از ساینس دیلی، این کشف از آزمایشهایی به دست آمد که با استفاده از یک شبیهساز کوانتومی انجام شد که تا دماهایی اندکی بالاتر از صفر مطلق سرد شده بود. با کاهش دمای سامانه، پژوهشگران الگوی ثابتی را در نحوه تأثیرگذاری الکترونها بر جهتگیری مغناطیسی الکترونهای مجاور مشاهده کردند. از آنجا که الکترونها میتوانند دارای اسپین بالا یا پایین باشند، این برهمکنشها رفتار کلی ماده را شکل میدهند. این پژوهش گامی مهم در جهت توضیح ابررسانایی غیرمتعارف به شمار میرود و از طریق همکاری میان فیزیکدانان تجربی در مؤسسه ماکس پلانک برای اپتیک کوانتومی در آلمان و نظریهپردازانی از جمله آنتوان ژرژ، مدیر مرکز فیزیک کوانتومی محاسباتی (CCQ) در مؤسسه فلتآیرون بنیاد سیمونز در نیویورک، امکانپذیر شد.
این تیم بینالمللی یافتههای خود را در نشریه «مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم ایالات متحده آمریکا» (PNAS) منتشر کرد.
چرا ابررسانایی همچنان یک معماست
ابررسانایی دهههاست به دلیل ظرفیت آن برای دگرگون کردن فناوریهایی مانند انتقال برق در مسافتهای طولانی و رایانش کوانتومی مورد مطالعه قرار گرفته است. با وجود این تلاشها، دانشمندان هنوز درک کاملی از چگونگی شکلگیری ابررسانایی ندارند، بهویژه در موادی که در دماهای نسبتاً بالا عمل میکنند.
در بسیاری از ابررساناهای دما بالا، حالت ابررسانایی مستقیماً از یک فاز فلزی معمولی پدیدار نمیشود. در عوض، ماده ابتدا از مرحلهای میانی موسوم به شبهگاف عبور میکند. در طول این فاز، الکترونها رفتارهای غیرمعمولی از خود نشان میدهند و تعداد کمتری از حالتهای الکترونیکی برای عبور جریان در دسترس است. از این رو، درک شبهگاف بهطور گستردهای برای کشف سازوکارهای نهفته در پس ابررسانایی و بهبود عملکرد مواد ضروری تلقی میشود.
مغناطیس تحت فشار دوپینگ
زمانی که یک ماده دارای تعداد معمولی الکترونهاست، این الکترونها تمایل دارند در یک الگوی مغناطیسی منظم موسوم به پادفرومغناطیس سازمان یابند. در این آرایش، اسپین الکترونهای مجاور در جهتهای مخالف قرار میگیرد، مشابه توالی منظم چپ و راست.
این الگوی منظم زمانی فرو میپاشد که الکترونها از طریق فرآیندی موسوم به دوپینگ حذف شوند. برای سالهای متمادی، دانشمندان بر این باور بودند که دوپینگ بهطور کامل نظم مغناطیسی برد بلند را از میان میبرد. مطالعه جدید منتشرشده در PNAS این فرض را به چالش میکشد و نشان میدهد که در دماهای بسیار پایین، شکلی ظریف از سازمانیافتگی در زیر آشفتگی ظاهری باقی میماند. این آزمایشها بر پایه کارهای نظری پیشین درباره شبهگاف در CCQ هدایت شدند که به انتشار مقالهای در سال ۲۰۲۴ در نشریه Science انجامید.
شبیهسازی ماده کوانتومی با اتمهای فوقسرد
برای بررسی این رفتار، تیم پژوهشی از مدل فرمی-هابرد استفاده کرد؛ چارچوب نظری پذیرفتهشدهای که چگونگی برهمکنش الکترونها در یک جامد را توصیف میکند. به جای مطالعه مواد واقعی، پژوهشگران این مدل را با استفاده از اتمهای لیتیوم که تا چند میلیاردیم درجه بالاتر از صفر مطلق سرد شده بودند بازسازی کردند. این اتمها در یک شبکه نوری با کنترل دقیق که با نور لیزر ایجاد شده بود، آرایش یافتند.
شبیهسازهای کوانتومی مبتنی بر اتمهای فوقسرد به دانشمندان امکان میدهند رفتار پیچیده مواد را در شرایطی بازآفرینی کنند که در آزمایشهای سنتی حالت جامد قابل دستیابی نیست. با استفاده از میکروسکوپ گاز کوانتومی که قادر به تصویربرداری از اتمهای منفرد و شناسایی جهتگیری مغناطیسی آنهاست، تیم پژوهشی بیش از ۳۵ هزار تصویر دقیق ثبت کرد. این تصاویر هم موقعیت اتمها و هم همبستگیهای مغناطیسی آنها را در طیف گستردهای از دماها و سطوح دوپینگ ثبت کردند.
ژرژ میگوید: «شگفتانگیز است که شبیهسازهای آنالوگ کوانتومی مبتنی بر اتمهای فوقسرد اکنون میتوانند تا دماهایی سرد شوند که در آن پدیدههای جمعی کوانتومی پیچیده ظهور میکنند.»
ظهور یک الگوی مغناطیسی همگانی
دادهها نتیجهای قابل توجه را آشکار کردند. توماس شالوپن، نویسنده اصلی از مؤسسه ماکس پلانک برای اپتیک کوانتومی، توضیح میدهد: «همبستگیهای مغناطیسی هنگام ترسیم بر حسب یک مقیاس دمایی خاص از یک الگوی همگانی واحد پیروی میکنند. و این مقیاس با دمای شبهگاف، یعنی نقطهای که شبهگاف پدیدار میشود، قابل مقایسه است.» این بدان معناست که شبهگاف بهطور نزدیک با ساختارهای مغناطیسی ظریفی مرتبط است که در زیر آنچه در ابتدا آشفتگی به نظر میرسد، تداوم مییابند.
این مطالعه همچنین نشان داد که برهمکنشهای الکترونی در این رژیم پیچیدهتر از جفتشدنهای ساده هستند. در عوض، الکترونها ساختارهای همبسته چندذرهای بزرگتری تشکیل میدهند. حتی یک دوپانت منفرد میتواند نظم مغناطیسی را در گسترهای بهطور شگفتآوری وسیع مختل کند. برخلاف پژوهشهای پیشین که تنها بر جفتهای الکترونی تمرکز داشتند، این مطالعه همبستگیهایی شامل حداکثر پنج ذره را بهطور همزمان اندازهگیری کرد؛ سطحی از جزئیات که تنها در شمار اندکی از آزمایشگاههای جهان به دست آمده است.
آشکارسازی همبستگیهای پنهان
برای نظریهپردازان، این یافتهها معیار سنجش جدید و مهمی برای مدلهای شبهگاف فراهم میکند. در سطحی گستردهتر، این نتایج دانشمندان را به درک چگونگی ظهور ابررسانایی دما بالا از حرکت جمعی الکترونهای برهمکنشکننده و در حال رقص نزدیکتر میکند. شالوپن توضیح میدهد: «با آشکارسازی نظم مغناطیسی پنهان در شبهگاف، ما یکی از سازوکارهایی را کشف میکنیم که ممکن است در نهایت با ابررسانایی مرتبط باشد.»
این پژوهش همچنین اهمیت همکاری نزدیک میان نظریه و آزمایش را برجسته میکند. با ترکیب پیشبینیهای نظری دقیق و شبیهسازیهای کوانتومی با کنترل دقیق، پژوهشگران توانستند الگوهایی را آشکار کنند که در غیر این صورت پنهان باقی میماندند.
این تلاش بینالمللی تخصصهای تجربی و نظری را گرد هم آورد و آزمایشهای آینده با هدف سرد کردن بیشتر سامانه، جستوجوی اشکال اضافی نظم و توسعه روشهای جدید برای مشاهده ماده کوانتومی از چشماندازهای نوین برنامهریزی شدهاند.
ژرژ میگوید: «شبیهسازیهای آنالوگ کوانتومی وارد مرحلهای جدید و هیجانانگیز شدهاند که الگوریتمهای کلاسیکی را که ما در CCQ توسعه میدهیم به چالش میکشند. در عین حال، این آزمایشها به هدایت نظری و شبیهسازیهای کلاسیک نیاز دارند. همکاری میان نظریهپردازان و آزمایشگران بیش از هر زمان دیگری اهمیت دارد.»
ارسال نظر