دانشمندان موفق به ایجاد حالت عجیب کوانتومی ماده در دمای اتاق شدند
پژوهشگران با استفاده از ساختاری کوچک برای به دام انداختن نور، موفق به ایجاد یک حالت نادر کوانتومی به نام «ابرجامد» در دمای اتاق شدند؛ دستاوردی که می‌تواند مطالعه پدیده‌های کوانتومی را ساده‌تر و کم‌هزینه‌تر کند.
به گزارش سیناپرس، گروهی بین‌المللی از پژوهشگران موفق شده‌اند حالت عجیبی از ماده را که هم‌زمان ویژگی‌هایی از مایع و جامد دارد، در دمای اتاق ایجاد کنند. اهمیت این دستاورد در آن است که برخلاف بسیاری از آزمایش‌های مرتبط با حالت‌های کوانتومی، برای دستیابی به آن نیازی به سرمایش شدید و تجهیزات پیچیده برودتی وجود ندارد.
نتایج این پژوهش در مجله علمی Science Advances منتشر شده است و می‌تواند مسیر تازه‌ای برای بررسی رفتارهای کوانتومی و توسعه فناوری‌هایی مانند سامانه‌های محاسباتی پیشرفته و حسگرهای دقیق‌تر فراهم کند.
ابرجامد؛ حالتی میان مایع و جامد
حالت ایجادشده در این آزمایش «ابرجامد» (Supersolid) نام دارد؛ وضعیتی غیرمعمول که در آن ماده هم‌زمان دو ویژگی به‌ظاهر متضاد را نشان می‌دهد: از یک سو مانند ابرشاره‌ها می‌تواند بدون مقاومت جریان یابد و از سوی دیگر، ساختاری منظم و تکرارشونده شبیه شبکه بلوری جامدها دارد.
پژوهشگران این حالت را در بستری کوانتومی متشکل از «میعان بوز-اینشتین اکسیتون-پلاریتون» ایجاد کردند. اکسیتون-پلاریتون نوعی شبه‌ذره ترکیبی است که از برهم‌کنش نور و ماده شکل می‌گیرد. در میعان بوز-اینشتین نیز تعداد زیادی ذره یا شبه‌ذره به‌گونه‌ای رفتار می‌کنند که گویی یک موجودیت کوانتومی واحد هستند.برای ایجاد این وضعیت، محققان از ساختاری بسیار کوچک به نام «ریزکاواک» استفاده کردند؛ محفظه‌ای که نور را در فضای محدودی به دام می‌اندازد. این ساختار از ترکیب یک بلور مایع حساس به ولتاژ و یک نیمه‌رسانای آلی ساخته شد. سپس پالس‌های لیزری انرژی لازم را برای شکل‌گیری حالت کوانتومی فراهم کردند.
یکی از ویژگی‌های مهم این روش، امکان کنترل سامانه با اعمال ولتاژ و هزینه نسبتاً پایین آن است. همچنین این ساختار برخلاف بسیاری از بسترهای آزمایشگاهی کوانتومی، به یخچال‌های برودتی برای رساندن دما به مقادیر بسیار پایین نیاز ندارد.
ویکتور پیِتسِک، فیزیک‌دان دانشگاه فناوری نظامی لهستان، می‌گوید ریزکاواک‌های بلور مایع مورد استفاده در این پژوهش حتی در دماهایی نزدیک به ۶۰ درجه سانتی‌گراد نیز می‌توانند کار کنند.
البته ایجاد این حالت کوانتومی با محدودیت‌هایی همراه بود. مواد به‌کاررفته به‌مرور زمان تخریب می‌شدند؛ زیرا نیمه‌رسانای آلی با بلور مایع واکنش نشان می‌داد. به همین دلیل، عمر وضعیت ایجادشده کوتاه بود و پژوهشگران ناچار بودند مراحل آزمایش را از پیش برنامه‌ریزی کنند. تکرار هر اندازه‌گیری نیز مستلزم ساخت نمونه‌ای جدید بود.
نوارهای بلوری؛ نشانه‌ای از شکل‌گیری حالت کوانتومی
یکی از شواهد مهم برای تأیید شکل‌گیری ابرجامد، رفتار نوارهای منظم و بلورمانندی بود که در ساختار کوانتومی ظاهر می‌شدند. با هر پالس لیزر، میعان دوباره شکل می‌گرفت، اما جایگاه این نوارها اندکی تغییر می‌کرد.
این جابه‌جایی تصادفی و تکرارشونده نشان داد که آرایش بلوری از ویژگی‌های ذاتی حالت کوانتومی است و صرفاً به ساختار ریزکاواک یا شرایط بیرونی آزمایش وابسته نیست.
گیوم مَلپوش، فیزیک‌دان مرکز ملی پژوهش‌های علمی فرانسه (CNRS)، این رفتار را نمونه‌ای روشن از پدیده «شکست خودبه‌خودی تقارن» می‌داند؛ پدیده‌ای که در آن یک سامانه، با وجود برخورداری از چند حالت معادل، یکی از آن‌ها را به‌صورت خودبه‌خودی انتخاب می‌کند. به گفته او، نظریه پیش‌بینی کرده بود که ابرجامد می‌تواند از میان چند آرایش هم‌ارز یکی را برگزیند و آزمایش‌ها نیز همین رفتار را نشان دادند.هرچند حالت‌های ایجادشده تنها کسری از ثانیه دوام داشتند، این زمان برای ثبت و بررسی رفتار آن‌ها کافی بود. پژوهشگران همچنین آزمایش را روی نمونه‌های متعدد تکرار کردند و نتایج به‌دست‌آمده با شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای نیز تأیید شد.
پژوهشگران در ادامه قصد دارند راه‌هایی برای افزایش طول عمر این حالت کوانتومی پیدا کنند و ساختارهای گردابی کوانتومی را با جزئیات بیشتری بررسی کنند. این گردابه‌ها به‌صورت نقص‌هایی در الگوی نوارهای بلوری ظاهر می‌شوند و از نشانه‌های رفتار ابرشاره‌ای به شمار می‌روند.
این روش همچنین امکان مطالعه پدیده‌ای به نام «جفت‌شدگی اسپین-مدار» را فراهم می‌کند؛ پدیده‌ای که در این آزمایش از ارتباط میان قطبش نور و حرکت آن ناشی شده و در شکل‌گیری آرایش ابرجامد نقش داشته است.
به باور پژوهشگران، فراهم شدن امکان مطالعه چنین پدیده‌هایی در دمای اتاق و بدون تجهیزات سرمایشی پرهزینه، می‌تواند در آینده به توسعه فناوری‌های کوانتومی مبتنی بر نور، از جمله تراشه‌های رایانه‌ای و حسگرهای پیشرفته، کمک کند. البته تحقق این کاربردها به پژوهش‌های بیشتر و رفع محدودیت‌هایی مانند عمر کوتاه حالت ایجادشده نیاز دارد.
نتایج این پژوهش در مجله Science Advances منتشر شده است.
