مایع اسپینی کوانتومی کشف شد! انقلاب فیزیک با ذرات عجیب و غریب!

مایع اسپینی کوانتومی: یه کشف تازه تو دنیای فیزیک!

فیزیک‌دونا یه مدته دارن رو یه حالت خاص از ماده به اسم مایع اسپینی کوانتومی کار می‌کنن. تو این حالت، ذرات مغناطیسی حتی وقتی دما به صفر مطلق نزدیک می‌شه، بازم یه نظم خاصی ندارن. عوضش، همیشه در حال نوسان و درهم‌تنیده باقی می‌مونن. این رفتار عجیب و غریب، تحت تأثیر قوانین پیچیده کوانتومیه و باعث می‌شه ویژگی‌های جدیدی ظاهر بشن که انگار داره جنبه‌های اساسی دنیامون رو شبیه‌سازی می‌کنه، مثل تعامل نور و ماده. با اینکه این قضیه از نظر تئوری خیلی باحاله، ولی ثابت کردنش از طریق آزمایش‌های عملی و بررسی ویژگی‌های منحصربه‌فردش، یه چالش بزرگ بوده.

تو یه مقاله‌ای که تازگیا تو مجله Nature Physics چاپ شده، یه گروه بین‌المللی از محقق‌ها، شامل یه تیم عملی از سوئیس و فرانسه و فیزیک‌دانای تئوری از کانادا و آمریکا، از جمله دانشگاه رایس، تونستن شواهدی از وجود این مایع اسپینی کوانتومی مرموز رو تو ماده‌ای به اسم سرامیک استنات سریم پیدا کنن. اونا این کارو با ترکیب تکنیک‌های پیشرفته آزمایشگاهی، مثل پراش نوترون تو دماهای خیلی پایین، با تحلیل‌های تئوری انجام دادن. دانشمندا با اندازه‌گیری این‌که نوترون‌ها چطوری با اسپین الکترون‌ها تو سرامیک استنات سریم تعامل دارن، تونستن تحریکات جمعی اسپین‌ها رو که خیلی با امواج نوری در ارتباط بودن، مشاهده کنن.

رومین سیبیل، که سرپرست تیم آزمایشگاهی از مؤسسه پل شرر تو سوئیس بود، گفت: “ذرات کوانتومی ماده کسری که مدت‌ها به‌عنوان مایع اسپینی کوانتومی مطرح بودن، نیاز به یه پیشرفت بزرگ تو وضوح آزمایشگاهی داشتن تا بتونیم با اطمینان تو این نوع ماده آزمایششون کنیم.” اون اضافه کرد: “آزمایش واقعی پراش نوترون رو رو یه طیف‌سنج خیلی تخصصی تو مؤسسه لویی-لانژوین تو گرنوبل فرانسه انجام دادیم که این امکانو بهمون داد تا داده‌های خیلی باکیفیتی به‌دست بیاریم.”

آندری نیودومسکی، استاد فیزیک و نجوم در دانشگاه رایس که تحلیل تئوری داده‌ها رو انجام داده، گفت: “پراش نوترون یه ابزار قابل اعتماد برای تحلیل رفتار اسپین تو مواد مغناطیسیه. با این حال، پیدا کردن یه نشانه‌ی قطعی و بدون ابهام که نشون بده این ماده مایع اسپینی کوانتومیه، خیلی سخته.” اون ادامه داد: “یه مطالعه تو سال ۲۰۲۲ نشون داد که محدود کردن مدل تئوری به یه شکلی که بتونه آزمایش رو با دقت توصیف کنه، کار ساده‌ای نیست و نیازمند اینه که پارامترهای مدل رو به‌صورت عددی جستجو کنیم و با چندین آزمایش تطبیقش بدیم.”

اسپینون‌ها و کسری‌سازی

تو مکانیک کوانتومی، الکترون‌ها یه ویژگی دارن به اسم اسپین که مثل یه آهن‌ربای کوچولو عمل می‌کنه. وقتی چند تا الکترون با هم تعامل می‌کنن، معمولاً اسپین‌هاشون یا هم‌جهت می‌شن یا مخالف هم. اما، چیدمان بعضی ساختارهای بلوری مثل پیروکلورها می‌تونه هر دو تا حالت رو به هم بریزه. این پدیده که بهش می‌گن ناامیدی مغناطیسی، جلوی اینو می‌گیره که اسپین‌ها یه نظم معمولی داشته باشن و شرایطی رو ایجاد می‌کنه که مکانیک کوانتومی می‌تونه به شیوه‌های خیلی خاصی خودشو نشون بده، از جمله ظهور مایعات اسپینی کوانتومی.

نیودومسکی که سال‌ها وقتشو صرف مطالعه تئوری کوانتومی مواد مغناطیسی ناامید کرده، گفت: “با اینکه اسمشون اینه، مایعات اسپینی کوانتومی تو مواد جامد وجود دارن.” اون توضیح داد که ناامیدی هندسی تو یه مایع اسپینی کوانتومی اون‌قدر شدیده که الکترون‌ها، به جای این‌که یه نظم خاصی داشته باشن، یه سوپرپوزیشن مکانیکی کوانتومی تشکیل می‌دن که منجر به همبستگی‌های مایع‌مانندی بین اسپین‌های الکترون می‌شه، انگار که اسپین‌ها تو یه مایع شناورن.

تحقیقات جدید درباره مایعات اسپینی کوانتومی

نیودومسکی گفت: “علاوه بر این، برانگیختگی‌های اولیه فقط یه اسپین نیست که جهتش از بالا به پایین یا برعکس تغییر کنه.” اون ادامه داد: “عوضش، اینا چیزای عجیبی هستن که تو یه جا قرار ندارن (غیرمحلی) و نصف درجه آزادی اسپین رو با خودشون دارن؛ ما بهشون می‌گیم اسپینون. این پدیده، وقتی یه چرخش اسپین، به یه شکلی به دو قسمت تقسیم می‌شه، به اسم فراکسیونالیزاسیون شناخته می‌شه.” مفهوم فراکسیونالیزاسیون و درک این‌که چطوری ذرات فراکشنال‌شده به دست اومده با همدیگه تعامل دارن، نکته‌ی کلیدی تحقیقاتی بود که این همکاری آزمایشگاهی-تئوری انجام داد.

اسپینون‌ها رو می‌شه به‌عنوان ذراتی با بار مغناطیسی تصور کرد و تعامل بین دو تا از این ذرات شبیه تعامل الکترون‌ها با بار الکتریکیه که همدیگه رو دفع می‌کنن. نیودومسکی گفت: “تو سطح کوانتومی، الکترون‌ها از طریق انتشار و جذب دوباره کوانتوم‌های نوری به اسم فوتون‌ها با هم تعامل می‌کنن. به‌طور مشابه، تو یه مایع اسپینی کوانتومی، تعامل بین اسپینون‌ها به‌صورت تبادل کوانتوم‌های نوری توصیف می‌شه.” این تشبیه، بررسی مایعات اسپینی کوانتومی رو با الکترودینامیک کوانتومی (QED) مرتبط می‌کنه؛ تئوری‌ای که توضیح می‌ده الکترون‌ها چطوری از طریق تبادل فوتون‌ها با همدیگه تعامل دارن و پایه‌گذار مدل استاندارد فیزیک ذراته.

به همین ترتیب، تئوری مغناطیس‌های پیروکلور هم اسپینون‌ها رو به‌عنوان ذراتی توصیف می‌کنه که از طریق “فوتون‌های” نوظهور با هم تعامل دارن. با این حال، برخلاف QED تو دنیای ما که نور با یه سرعت ثابتی حرکت می‌کنه، “نور” نوظهور تو این مغناطیس‌ها خیلی کندتره – حدود ۱۰۰ برابر کندتر از سرعت اسپینون‌ها. این تفاوت بزرگ منجر به پدیده‌های جالبی مثل تابش چرنکوف و افزایش احتمال تولید جفتِ ذره-پادماده می‌شه. وقتی این یافته‌ها با تحقیقات مکمل یه گروه از فیزیک‌دونا تو دانشگاه تورنتو ترکیب شد، شواهد روشنی برای تعاملات مشابه QED تو داده‌های آزمایشگاهی ارائه شد. سیبیل گفت: “دیدن نتیجه‌گیری چنین آزمایش سخت و تلاش‌های تئوریسین‌ها خیلی هیجان‌انگیزه.”

کاربردهای آینده

این مطالعه، یه سری از واضح‌ترین شواهد آزمایشگاهی رو برای حالت‌های مایع اسپینی کوانتومی و برانگیختگی‌های فراکشنال اون‌ها ارائه می‌ده. این تحقیق تأیید می‌کنه که موادی مثل استنات سریم می‌تونن این فازهای عجیب ماده رو تو خودشون داشته باشن، که نه تنها برای فیزیک بنیادی جالبن، بلکه می‌تونن روی فناوری‌های کوانتومی مثل محاسبات کوانتومی هم تأثیر بذارن. نتایج نشون می‌ده که ما می‌تونیم این مواد رو طوری تنظیم کنیم که پدیده‌های کوانتومی مختلفی مثل وجود ذرات دوتایی رو بررسی کنیم، که درهای جدیدی رو برای تحقیقات آینده باز می‌کنه.

ذرات دوتایی، که بهشون ویزون هم می‌گن، با اسپینون‌ها فرق دارن چون به‌جای بار مغناطیسی، بار الکتریکی دارن. اون‌ها شبیه مونوپل‌های مغناطیسی تئوری هستن که تقریباً یه قرن پیش توسط یه پیشگام مکانیک کوانتومی به اسم پل دیراک پیشنهاد شدن و اون پیش‌بینی کرده بود که این ذرات یه کمیت خاص دارن. گرچه مونوپل‌های مغناطیسی هیچ‌وقت دیده نشدن و توسط تئوریسین‌های انرژی بالا به‌شدت نامحتمل دونسته می‌شن، این ایده هنوز یه جنبه‌ی جذاب از فیزیک مدرن باقی مونده. نیودومسکی گفت: “بعد از این کشف، جستجوی شواهدی از ذرات شبیه مونوپل تو یه دنیای آزمایشی که از چرخش‌های الکترون تو یه تیکه ماده تشکیل شده، خیلی هیجان‌انگیزتره.”

این تحقیق توسط بنیاد ملی علوم سوئیس (R.S. و V.P.، گرنت شماره 200021_179150)، بنیاد ملی علوم آمریکا تو بخش تحقیقات مواد تحت جایزه DMR-1917511 (H.Y. و A.H.N.) و شورای تحقیقات علوم طبیعی و مهندسی کانادا (F.D. و YB.K.) پشتیبانی شده.