فیزیک‌دانان حالت جدیدی از ماده به نام مایع اسپین کوانتومی را کشف کردند
گروهی از محققان از سوئیس و فرانسه و فیزیک‌دانان نظری در کانادا و ایالات متحده، از جمله دانشگاه رایس، باور دارند که شواهدی از یک پدیده نظری کوانتومی به نام مایع اسپین کوانتومی یافته‌اند. این پدیده در ماده‌ای به نام پایروکلر سریم استانات مشاهده شده و می‌تواند به کشفیات بنیادی در فیزیک و دستاوردهای دیگر مانند کامپیوترهای کوانتومی منجر شود.
اگر با مایع اسپین کوانتومی آشنا نیستید، باید گفت که این یک حالت خاص نظری از ماده است که ذرات مغناطیسی کوچک به الگوهای ثابت نمی‌ایستند. باور بر این است که این حالت حتی در پایین‌ترین دماهای ممکن هم می‌تواند رخ دهد.
طبق این نظریه، این اسپین‌ها می‌توانند در حالت‌های پیوسته در حال تغییر و به هم پیوسته باقی بمانند که رفتار عجیبی دارند و به رفتارهایی شبیه به مکانیک کوانتومی شبیه هستند. این حالت از ماده همچنین دارای ویژگی‌هایی است که تقلیدکننده نحوه تعامل نور و ذرات در جهان است.
با این حال، اثبات این نظریه تا کنون بسیار چالش‌برانگیز بوده است. به همین منظور، تیم بین‌المللی آزمایش‌های پیشرفتهای (مانند پراکندگی نوترونی) و مدل‌های نظری توسعه دادند تا برای اولین بار تلاش کنند این حالت از ماده را مشاهده کنند.
و به نظر می‌رسد که در تمامی جهات موفق بوده‌اند.
یک پیشرفت بزرگ
رومان سیبیل، رهبر تیم آزمایشی در مؤسسه پل شرر در سوئیس، گفت: «کوازی‌ذرات ماده‌ای جزئی، که مدت‌ها در مایعات اسپین کوانتومی نظریه‌پردازی شده بود، نیازمند پیشرفتهای قابل‌توجهی در دقت آزمایشگاهی بودند تا بشود به طور قانع‌کننده‌ای در این نوع ماده آزمایش شوند».
او اضافه کرد: «آزمایش پراکندگی نوترونی با استفاده از یک دستگاه اسپکترومتر بسیار تخصصی در مؤسسه لائو-لانگرین در گرنوبل، فرانسه انجام شد که به ما امکان دستیابی به داده‌های با وضوح بسیار بالا را داد.»
اندری نودومسکی، استاد فیزیک و نجوم در رایس و تحلیل‌گر نظری داده‌های به‌دست‌آمده، اضافه کرد: «پراکندگی نوترونی یک ابزار پذیرفته‌شده برای تحلیل رفتار اسپین‌ها در مغناطیس‌ها است.» او افزود: «اما توسعه یک امضای واضح و مشخص که بتواند ثابت کند ماده حامل یک مایع اسپین کوانتومی است، چالش‌برانگیز است.»
در درک کنونی ما از مکانیک کوانتومی، الکترون‌ها دارای ویژگی‌ای به نام اسپین هستند. این به آن معناست که آنها رفتارشان شبیه به آهنرباهای میله‌ای کوچک است.
وقتی الکترون‌ها تعامل می‌کنند، 'اسپین'های‌شان هم‌جهت یا ضدجهت می‌شوند (در جهت مخالف قرار می‌گیرند). اما این هم‌جهتی/ضدجهتی در بعضی از مواد، مانند پایروکلرها ، می‌تواند مختل شود.
به این 'ناکامی مغناطیسی' گفته می‌شود و می‌تواند به شرایطی منجر شود که، به گفته محققان، مکانیک کوانتومی در آنجا به صورت‌های جالبی، مانند ایجاد مایعات اسپین کوانتومی، ایجاد شود. با این حال، برخلاف نام، این پدیده می‌تواند در حالت‌های مختلف ماده مانند جامدها ظاهر شود.
صحبت کردن ذرات کوانتومی
محققان توضیح دادند که تأثیر این پدیده به قدری مهم است که الکترون‌ها می‌توانند یک برهم‌نهی مکانیکی کوانتومی ایجاد کنند که منجر به همبستگی‌های سیال‌مانند بین اسپین‌های الکترون‌ها می‌شود، گویی اسپین‌ها در یک مایع قرار دارند.
نویدومسکی گفت: «در سطح کوانتومی، الکترون‌ها با انتشار و جذب مجدد کوانتوم‌هایی از نور که به فوتون‌ها معروف هستند، با یکدیگر تعامل می‌کنند. به شکلی مشابه، در یک مایع اسپین کوانتومی، تعامل بین اسپینون‌ها در قالب تبادل کوانتوم‌های شبیه نور توصیف شده است.»
تیم توضیح داد که این اسپینون‌ها حتی می‌توانند با تبادل امواجی مشابه نور اما بسیار کندتر با یکدیگر 'حرف بزنند'. این تعامل تا حدودی شبیه به این است که چگونه الکترون‌ها در تئوری کوانتومی نور فوتون‌ها را تبادل می‌کنند.»
نویدومسکی گفت: «پس از این کشف، جستجو برای شواهد از ذرات شبیه به تک قطبی‌ها در یک جهان آزمایشی از اسپین‌های الکترونی در یک قطعه ماده همه بیشتر هیجان‌انگیز می‌شود.»
این تیم اکنون به دنبال دیگر ذرات عجیب، مانند 'ویسون‌ها' است که می‌توانند مانند تک قطبی‌های مغناطیسی عمل کنند — ایده‌ای نظری از چندین دهه قبل. این کشفیات می‌تواند درک ما از جهان و نحوه کار ماده در کوچک‌ترین مقیاس‌ها را به عمق ببرد.
شما می‌توانید مطالعات خود را در مجله Nature Physics مشاهده کنید.
