حل معمای «شکاف کاذب» کوانتومی برای کمک به قطارهای شناور فوق سریع
دانشمندان فیزیک کوانتومی برای سال‌ها تلاش کرده‌اند تا حالت شکاف کاذب در مواد را درک کنند. در نهایت، تیمی از محققان موفق شدند با استفاده از یک الگوریتم ویژه، معماهای مختلف حول شکاف کاذب را حل کنند.
شکاف کاذب به رفتار عجیبی در برخی مواد مانند اکسیدهای مس اطلاق می‌شود که در دماهای بسیار پایین (یعنی زیر -140 درجه سانتی‌گراد) به عنوان ابررسانا عمل می‌کنند، اما در دماهای بالاتر خواص نیمه‌هادی یا فلز معمولی را نشان می‌دهند.
در چنین موادی، یک شکاف جزئی غیرمعمول در سطوح انرژی الکترون‌ها وجود دارد. این شکاف کاذب به این علت ظاهر می‌شود که برخی جفت‌های الکترون در دماهای بالاتر تشکیل می‌شوند، اما به طور کامل به حالت ابررسانایی تبدیل نمی‌شوند.
چرا و چگونه شکاف کاذب ظاهر می‌شود، دهه‌ها ناشناخته بود، اما دیگر نیست. در مطالعه جدید خود، محققان پاسخ این سوالات را فاش می‌کنند.
“کشف ما به دانشمندان در جستجوی ابررسانایی در دمای اتاق کمک می‌کند، جام مقدس فیزیک ماده چگال که امکان انتقال بدون اتلاف انرژی، ماشین‌های MRI سریعتر و قطارهای شناور فوق سریع را فراهم می‌کند،” نویسندگان مطالعه می‌گویند.
شکاف کاذب حتی برای کامپیوترهای قدرتمند دشوار است
عاملی که حالت شکاف کاذب را انقدر دشوار می‌کند، درهم‌تنیدگی کوانتومی است. به این معنی که حالت یک الکترون فوراً بر حالت الکترون دیگر تاثیر می‌گذارد، بدون توجه به فاصله‌ای که بین آن‌ها وجود دارد.
“محاسبه خواص این مواد به‌شدت چالش‌برانگیز است—شما نمی‌توانید آن‌ها را حتی بر روی قدرتمندترین کامپیوترها شبیه‌سازی کنید. شما باید از الگوریتم‌های هوشمند و مدل‌های ساده شده استفاده کنید،” آنتوان جورجز، یکی از نویسندگان مطالعه و فیزیکدان در موسسه پلی‌تکنیک پاریس می‌گوید.
برای غلبه بر این چالش، محققان از مدل هابارد، یک چارچوب ریاضی که در فیزیک برای توصیف نحوه حرکت و تعامل الکترون‌ها در یک ماده استفاده می‌شود، استفاده کردند.
این مدل مواد مانند اکسیدهای مس را به عنوان صفحه‌های شطرنج در نظر می‌گیرد که الکترون‌های آن‌ها مانند پیاده‌های شطرنج از یک جعبه به جعبه‌های مجاور پرش می‌کنند. الکترون‌ها می‌توانند در دو حالت اسپین بالا یا پایین باشند. علاوه بر این، آن‌ها تنها می‌توانند یک موقعیت مشترک را در صورتی که اسپین‌هایشان مخالف باشد، اشغال کنند که این باعث صرف انرژی می‌شود.
بعد، برای محاسبه رفتار الکترون‌ها از مدل هابارد، محققان از الگوریتم مونت‌کارلو دیافراگم‌نگاری استفاده کردند. این امکان آنالیز تعاملات الکترونی در سراسر صفحه شطرنج را در یک زمان فراهم می‌کند، که با دیگر الگوریتم‌های رایج غیرممکن است.
“رویکرد الگوریتم مونت‌کارلو دیافراگم‌نگاری بسیار متفاوت است. ما می‌توانیم در تئوری یک تعداد بی‌نهایت از ذرات را شبیه‌سازی کنیم،” ریکاردو روسی، یکی از محققان و دانشمند کوانتوم در موسسه فدرال سوئیس در لوزان گفت.
الگوریتم حالت شکاف کاذب را رمزگشایی کرد
استفاده از الگوریتم مونت‌کارلو دیافراگم‌نگاری موفقیت‌آمیز بود. آن بسیاری از جزئیات که قبلاً ناشناخته بودند را فاش کرد.
به عنوان مثال، نویسندگان مطالعه کشف کردند که به‌عنوان مواد در حالت شکاف کاذب به دماهای صفر مطلق نزدیک می‌شوند، “الکترون‌ها در ردیف‌هایی از اسپین‌های مطابق که توسط ردیف‌های مربع‌های خالی جدا شده‌اند سازماندهی می‌شوند.”
چنین ترتیب‌هایی به عنوان نوارها شناخته می‌شوند. برخی از مطالعات قبلی نیز به امکان چنین تشکیل‌هایی اشاره کرده‌اند اما این مطالعه اولین است که آن را تایید می‌کند.
نویسندگان مطالعه همچنین یافتند که حالت شکاف کاذب یک ماده در واقع نتیجه ظهور تکه‌های شطرنجی در ترتیب الکترون‌ها است. “به محض اینکه آن تکه‌های شطرنجی در ترتیب الکترون‌ها ظاهر شدند، مواد وارد حالت شکاف کاذب شدند.”
این یافته‌ها می‌تواند به دانشمندان در توسعه ابررساناهای عملی در دمای اتاق کمک کند. علاوه بر این، می‌تواند به فهم آن‌ها از شبیه‌سازی گاز کوانتومی — یک زمینه هیجان‌انگیز که ترکیبی از اپتیک کوانتومی و فیزیک ماده چگال است، کمک کند.
با این حال، “کار بیشتری شامل مطالعات کنترل‌شده حالت پایه لازم است تا سرنوشت شکاف کاذب در دماهای پایین‌تر که هنوز یک سوال باز است، روشن شود.” نویسندگان مطالعه افزودند.
این مطالعه در مجله Science منتشر شده است.
