دانشمندان یک کریستال فلزی عجیب را بررسی کردهاند که عمیقترین نشانههای درهمتنیدگی کوانتومی مشاهدهشده در یک ماده جامد را نشان میدهد.
کریستال فلزی عجیب، رکورد تازهای در درهمتنیدگی کوانتومی ثبت کرد
یک قطعه فلز کوچک که میتوان آن را بین دو انگشت نگه داشت، رفتاری از خود نشان داده که فیزیکدانان را شگفتزده کرده است. این ماده در دمایی نزدیک به صفر مطلق، یکی از قویترین نشانههای درهمتنیدگی کوانتومی را که تاکنون در یک ماده جامد اندازهگیری شده است، آشکار کرد.
درهمتنیدگی کوانتومی معمولاً در اتمها یا ذرات منفرد و در شرایط بسیار کنترلشده آزمایشگاهی مشاهده میشود؛ شرایطی که گرما و لرزشهای محیطی نتوانند اثرات کوانتومی را از بین ببرند. اما این بار پژوهشگران مشاهده کردند که تعداد بسیار زیادی ذره در یک قطعه فلز جامد، مانند یک سیستم واحد رفتار میکنند.
فلزی که قوانین معمول فیزیک را نادیده گرفت
فلزهای معمولی از یک الگوی مشخص پیروی میکنند. وقتی یک فلز سرد میشود، مقاومت الکتریکی آن کاهش پیدا میکند و این کاهش معمولاً به شکل قابل پیشبینی و وابسته به مربع دما اتفاق میافتد.
اما گروه کوچکی از مواد این قانون را رعایت نمیکنند. مقاومت الکتریکی این مواد هنگام سرد شدن، به جای تغییر منحنی، به صورت تقریباً مستقیم کاهش پیدا میکند.
فیزیکدانان این مواد را فلزات عجیب یا Strange Metals مینامند. این مواد نخستین بار در ابررساناهای دمای بالا کشف شدند و بعدها در مواد بسیار بیشتری نیز مشاهده شدند.
راز رفتار فلزات عجیب
دلیل اصلی این رفتار هنوز به طور کامل مشخص نشده است. یکی از نظریههای مهم، بر پدیدهای به نام پوشش کُندو (Kondo Screening) تمرکز دارد.
در این پدیده، الکترونهای متحرک معمولاً مانند یک پوشش محافظ، گشتاورهای مغناطیسی موجود در اتمهای فلز را میپوشانند.
اما زمانی که این پوشش در یک نقطه بحرانی از بین میرود، رفتارهای فیزیکی غیرمعمولی ظاهر میشوند و سیستم وارد مرحلهای متفاوت از رفتار کوانتومی میشود.
اندازهگیری پیوندهای کوانتومی پنهان در یک جامد
اندازهگیری ارتباطات کوانتومی درون یک ماده جامد کار سادهای نیست. پژوهشگران نمیتوانند اتمهای یک فلز را جدا کنند و آنها را مانند ذرات منفرد بررسی کنند.
به همین دلیل، تیم تحقیقاتی از روشی برگرفته از علم اندازهگیریهای بسیار دقیق استفاده کرد.
این روش بررسی میکند که یک ماده هنگام وارد شدن یک تحریک کوچک، چه میزان واکنش نشان میدهد. ذرات مستقل تنها میتوانند تا یک حد مشخص پاسخ دهند.
سیلکه پاسن، فیزیکدان دانشگاه فناوری وین (TU Wien) که رهبری این تیم را بر عهده دارد، توضیح میدهد:
«اگر ذرات درهمتنیده باشند، کل سیستم میتواند واکنشی قویتر از مجموع بخشهای مستقل خود نشان دهد.»
درهمتنیدگی کوانتومی با ایجاد ارتباط میان ذرات، این محدودیت را افزایش میدهد و باعث میشود کل ماده مانند یک سیستم هماهنگ رفتار کند.
فشار دادن کریستال تا مرزهای غیرعادی کوانتومی
برای انجام این آزمایش، پژوهشگران یک کریستال از ترکیب سریم، پالادیوم و سیلیکون ساختند. اندازه این کریستال کمتر از نیم اینچ بود، اما درون آن تعداد بسیار زیادی اتم وجود داشت.
مطالعات قبلی نشان داده بودند که این ماده یک فلز عجیب است و دارای یک نقطه بحرانی مشخص است که میتوان آن را با استفاده از میدان مغناطیسی به آن رساند.
فدریکو ماتزا، دانشجوی دکتری دانشگاه فناوری وین (TU Wien)، این نمونه را به یک مرکز تولید پرتو نوترونی در گرونوبل فرانسه منتقل کرد.
او با استفاده از روش پراکندگی نوترونی (Neutron Scattering)، نوترونها را به سمت کریستال شلیک کرد و از نحوه بازتاب پرتو، حرکتهای درونی ماده را بررسی کرد.
شرایط سخت آزمایشگاهی برای مشاهده رفتار کوانتومی
شرایط آزمایش بسیار دشوار بود. ماتزا کریستال را تا دمایی بسیار نزدیک به صفر مطلق سرد کرد؛ دمایی که حتی از فضای عمیق کیهان نیز سردتر است.
این آزمایش درون یک میدان مغناطیسی دقیقاً تنظیمشده با شدت ۱.۷۳ تسلا انجام شد.
این مقدار میدان مغناطیسی دقیقاً در نقطهای قرار داشت که پوشش الکترونی فلز از بین میرود؛ همان نقطه بحرانی که رفتار معمول ماده فرو میریزد و ویژگیهای کوانتومی جدید ظاهر میشوند.
یک سیگنال کوانتومی شگفتانگیز
با کاهش دمای کریستال، واکنش آن به پرتو نوترونی افزایش یافت و این افزایش بدون توقف ادامه پیدا کرد.
در سردترین مرحله آزمایش، سیگنال اندازهگیریشده تقریباً ۴۰ برابر افزایش پیدا کرده بود و هیچ نشانهای از رسیدن به یک سطح ثابت مشاهده نشد.
این افزایش شدید همان نشانهای بود که پژوهشگران به دنبال آن بودند.
هرچه پاسخ ماده قویتر باشد، نشان میدهد که تعداد بیشتری از ذرات در یک حالت کوانتومی مشترک قرار گرفتهاند. در این آزمایش، تعداد زیادی از ذرات با یکدیگر ارتباط کوانتومی داشتند.
حداقل ۹ ذره در یک حالت درهمتنیده
محاسبات انجامشده نشان داد که حداقل ۹ ذره در یک حالت درهمتنیده مشترک قرار گرفتهاند.
با این حال، مقدار واقعی احتمالاً بیشتر است، زیرا این روش تنها یک حد پایین از میزان درهمتنیدگی را اندازهگیری میکند.
پژوهشگران اعلام کردند که تاکنون هیچکس موفق نشده بود چنین سطح عمیقی از درهمتنیدگی را در قطعهای از ماده با این اندازه اندازهگیری کند.
وقتی نظریه با آزمایش روبهرو میشود
اندازهگیریهای آزمایشگاهی به تنهایی همیشه کافی نیستند و ممکن است باعث برداشت اشتباه شوند. به همین دلیل، تیم تحقیقاتی نتایج خود را با شبیهسازیهای کامپیوتری از همان تغییر فاز مقایسه کرد.
مدلهای ریاضی همان روند افزایش را نشان دادند؛ سیگنال افزایش پیدا کرد و بدون رسیدن به نقطه ثابت ادامه یافت.
این شبیهسازی عمداً بر اساس مدلی ساخته شده بود که با کریستال واقعی تفاوت داشت.
تطابق نتایج میان دو سیستم متفاوت نشان داد که این افزایش احتمالاً ویژگی عمومی چنین گذارهای بحرانی است و فقط به یک ماده خاص محدود نمیشود.
یک مطالعه مستقل نیز پیشتر افزایش مشابهی را در نزدیکی چنین نقاط بحرانی پیشبینی کرده بود.
از بین رفتن نظم الکترونی و شکلگیری شبکه کوانتومی
مطابقت میان نظریه و آزمایش، سرنخ مهمی درباره علت این رفتار ارائه کرد.
در نقطه بحرانی، زمانی که پوشش الکترونی از بین میرود، ذرات منظمی که معمولاً جریان الکتریسیته را منتقل میکنند، ظاهراً در یک حالت مبهمتر حل میشوند.
در جای آنها، شبکهای متراکم از ارتباطات کوانتومی مشترک شکل میگیرد؛ شبکهای که میتواند توضیحدهنده رفتار غیرمعمول فلزات عجیب باشد.
