پیشرفت کوانتومی: نمایش ابرشارگی جریان متقابل توسط چین برای اولین بار در جهان

محققان آکادمی علوم چین برای اولین بار ابرشارگی جریان متقابل (CSF) را به صورت تجربی نشان داده‌اند.

این یک حالت کوانتومی عجیب است که در آن دو جزء (برای مثال، انواع مختلف اتم‌ها یا اسپین‌ها) با همبستگی کامل در جهت‌های مخالف جریان می‌یابند. با اینکه هر دو جزء ابرجار هستند، سیستم به عنوان یک کل پایدار و غیرقابل تراکم باقی می‌ماند.

به گفته محققان، CSF ابزار مهمی برای مطالعه و شبیه‌سازی سیستم‌های کوانتومی پیچیده در محیط‌های فوق سرد خواهد بود، به‌ویژه برای کاوش فازهای کوانتومی جدید و پدیده‌های مرتبط با اسپین.

آوردن CSF از نظریه به واقعیت

ابرشارگی جریان متقابل مفهومی جدید نیست؛ دانشمندان دو دهه است که از این فاز کوانتومی آگاهند. در واقع، این یک گسترش از یافته‌های مدل بوز-هابارد است، مدلی نظری که در سال ۱۹۶۳ برای توضیح رفتار بوسون‌ها در یک سیستم شبکه‌ای پیشنهاد شد.

برخی مدل‌های ریاضی دیگر نیز CSF را نظریه‌پرداز کرده‌اند، اما تا به حال دانشمندان نمی‌توانستند این فاز را در یک چارچوب تجربی مشاهده کنند به دلیل مجموعه‌ای از چالش‌های فنی.

مطالعه نوشته‌بود: "تحقق و شناسایی این فاز به صورت تجربی چالش‌برانگیز است به خاطر نیازمندی‌های سختگیرانه برای یک تنظیم واحد، از جمله تهیه حالت بدون نقص، حداقل تشعشع در طول دستکاری همسو، و آشکارسازی فازها با قابلیت تفکیک اسپین و سایت."

برای دستیابی به فاز مخفی CSF، محققان یک سیستم دو مولفه‌ای با استفاده از اتم‌های فوق سرد روبیدیوم -۸۷ با دو حالت اسپین مختلف تهیه کردند. سپس اتم‌ها در یک شبکه نور لیزر قرار گرفتند که اتم‌ها را در موقعیت‌های مشخص به دام می‌انداخت.

این باعث تشکیل یک عایق موت اسپین شد، ماده‌ای جذاب که با نظریه باید الکتریسیته را هدایت کند ، اما در واقع این کار را نمی‌کند. دلیل این مسئله تعاملات قوی بین اسپین‌های ذرات است که باعث محلی شدن آنها می‌شود و از حرکت آزاد الکترون‌ها جلوگیری می‌کند.

با تنظیم تعامل بین اتم‌ها در این سیستم در دمای یک نانوکلوین (-273.15°C یا -459.67°F)، محققان از حالت «منجمد» (عایق اسپین-موت) به وضعیتی دیگر منتقل شدند، جایی که دو نوع اتم در جهت‌های مخالف با همبستگی کامل جریان داشتند و ابرشارگی جریان متقابل را نشان می‌دادند.

تأیید ابرشارگی جریان متقابل

برای تأیید اینکه سیستم واقعاً وارد فاز CSF شده است، نویسندگان مطالعه از یک میکروسکوپ گاز کوانتومی استفاده کردند — ابزاری بسیار پیشرفته که به دانشمندان اجازه مشاهده اتم‌های فردی در یک شبکه را می‌دهد.

آنها همبستگی‌ها بین موقعیت‌های مختلف (و اسپین‌های) اتم‌ها را اندازه‌گیری کردند و همبستگی‌های ضد جفتی، یعنی وجود اتم‌ها در حالات مخالف، را یافتند.

مطالعه نوشته‌است: "همبستگی‌های ضد جفتی، علامت ابرشارگی جریان متقابل، توسط اندازه‌گیری‌ها در فضاهای حقیقی و حرکتی تحت یک میکروسکوپ گاز کوانتومی تایید شدند."

این مشاهده تأیید کرد که زمانی که یک اتم در یک جهت حرکت کرد، اتم دیگری در حالت اسپین مخالف در جهت مخالف حرکت کرد. علاوه بر این، محققان همبستگی‌های طولانی مدت در حالت‌های اسپین مشاهده کردند، سیستم با حفظ همبستگی در کل شبکه، نشانه‌ای قوی از فاز CSF بود.

کشف ابرشارگی در سال ۱۹۳۰ منجر به توسعه بسیاری از فناوری‌های جذاب در دمای پایین مانند سرمایش لیزری شد. امیدواریم که CSF نیز برای بسیاری از کاربردهای کوانتومی پیشگام راه‌گشا باشد.

این مطالعه در مجله Nature Physics منتشر شده‌است.