کشف تأثیرات نیرومند نور و ماده در مایعات کوانتومی اسپین

وجود مایع اسپین کوانتومی: کشف جدید در فیزیک

فیزیکدانان مدت‌هاست که به وجود یک حالت منحصر به فرد از ماده به نام مایع اسپین کوانتومی نظریه‌پردازی کرده‌اند. در این حالت، ذرات مغناطیسی حتی در دمای مطلق صفر نیز به یک الگوی منظم نمی‌رسند. بلکه، آن‌ها در یک حالت دائماً نوسانی و درهم‌تنیده باقی می‌مانند. این رفتار غیرمعمول تحت تأثیر قوانین پیچیده کوانتومی قرار دارد و منجر به ویژگی‌های نوظهوری می‌شود که جنبه‌های بنیادی جهان ما، مانند تعاملات نور و ماده، را شبیه‌سازی می‌کند. با وجود جذابیت‌های نظری این پدیده، اثبات تجربی وجود مایعات اسپین کوانتومی و بررسی ویژگی‌های خاص آن‌ها به شدت چالش‌برانگیز بوده است.

در مقاله‌ای که به تازگی در Nature Physics منتشر شده است، یک گروه بین‌المللی از محققان، شامل تیمی تجربی از سوئیس و فرانسه و فیزیکدانان نظری در کانادا و ایالات متحده، از جمله دانشگاه رایس، شواهدی از این مایع اسپین کوانتومی مرموز را در ماده‌ای به نام سرامیک استنات سریم پیدا کرده‌اند. آن‌ها این کار را با ترکیب تکنیک‌های پیشرفته تجربی، از جمله پراش نوترون در دماهای بسیار پایین، با تحلیل‌های نظری انجام دادند. با اندازه‌گیری نحوه تعامل نوترون‌ها به صورت مغناطیسی با اسپین الکترون در سرامیک استنات سریم، محققان تحریکات جمعی اسپین‌ها را که به شدت با امواج نورگونه تعامل دارند، مشاهده کردند.

رومین سیبیل، رهبر تیم تجربی در موسسه پل شرر در سوئیس، گفت: “ذرات کوانتومی ماده کسری که مدت‌ها در مایعات اسپین کوانتومی نظریه‌پردازی شده‌اند، نیاز به پیشرفت‌های قابل توجهی در وضوح تجربی داشتند تا به طور قانع‌کننده‌ای در این نوع ماده آزمایش شوند.” او افزود: “آزمایش واقعی پراش نوترون بر روی یک طیف‌سنج بسیار تخصصی در موسسه لویی-لانژوین در گرنوبل فرانسه انجام شد که به ما این امکان را داد تا داده‌های با وضوح بسیار بالا به‌دست آوریم.”

اندری نیودومسکی، استاد یار فیزیک و نجوم در دانشگاه رایس که تحلیل نظری داده‌های به‌دست آمده را انجام داده است، گفت: “پراش نوترون ابزاری معتبر در تحلیل رفتار اسپین‌ها در مواد مغناطیسی است. با این حال، پیدا کردن یک امضای قاطع و غیرقابل تردید که ثابت کند این ماده دارای مایع اسپین کوانتومی است، بسیار دشوار است.” او ادامه داد: “یک مطالعه در سال 2022 نشان داد که محدود کردن مدل نظری به‌گونه‌ای که بتواند به طور قابل اعتماد آزمایش را توصیف کند، کار آسانی نیست و نیاز به جستجوی عددی پارامترهای مدل و تطبیق آن با چندین آزمایش دارد.”

اسپینون‌ها و کسری‌سازی

در مکانیک کوانتومی، الکترون‌ها دارای خاصیتی به نام اسپین هستند که مانند یک آهنربای کوچک عمل می‌کند. زمانی که چندین الکترون با هم تعامل می‌کنند، معمولاً اسپین‌های آن‌ها هم‌راستا یا ضد هم‌راستا می‌شوند. با این حال، آرایش برخی از ساختارهای بلوری مانند پیروکلورها می‌تواند هر دو آرایش را مختل کند. این پدیده که به آن ناامیدی مغناطیسی گفته می‌شود، از تثبیت اسپین‌ها به یک نظم معمولی جلوگیری می‌کند و شرایطی را ایجاد می‌کند که مکانیک کوانتومی می‌تواند به شیوه‌های فوق‌العاده‌ای تجلی یابد، از جمله ظهور مایعات اسپین کوانتومی.

نیودومسکی، که سال‌ها به مطالعه نظریه کوانتومی مواد مغناطیسی ناامید پرداخته است، گفت: “با وجود نامشان، مایعات اسپین کوانتومی در مواد جامد وجود دارند.” او توضیح داد که ناامیدی هندسی در یک مایع اسپین کوانتومی آن‌قدر شدید است که الکترون‌ها به جای آن، یک سوپرپوزیشن مکانیکی کوانتومی تشکیل می‌دهند که منجر به همبستگی‌های مایع‌مانند بین اسپین‌های الکترون می‌شود، گویی که اسپین‌ها در یک مایع غوطه‌ور هستند.

تحقیقات جدید در مورد مایعات اسپینی کوانتومی

نیویدومسکی گفت: “علاوه بر این، برانگیختگی‌های اولیه تنها یک اسپین نیست که جهت آن از بالا به پایین یا بالعکس تغییر کند.” او ادامه داد: “در عوض، این‌ها اشیاء عجیب و غریب و غیرمحلی هستند که نیمی از یک درجه آزادی اسپین را حمل می‌کنند؛ ما آن‌ها را اسپینون می‌نامیم. این پدیده، زمانی که یک چرخش اسپین به نوعی به دو نیم تقسیم می‌شود، به نام فراکسیونالیزاسیون شناخته می‌شود.” مفهوم فراکسیونالیزاسیون و درک نحوه تعامل ذرات فراکشنالی حاصل از آن با یکدیگر، کلید تحقیقات انجام شده توسط این همکاری تجربی-نظری بود.

اسپینون‌ها را می‌توان به عنوان ذراتی با بار مغناطیسی تصور کرد و تعامل بین دو چنین ذره‌ای شبیه به تعامل الکترون‌های بار الکتریکی است که یکدیگر را دفع می‌کنند. نیویدومسکی گفت: “در سطح کوانتومی، الکترون‌ها با یکدیگر از طریق انتشار و جذب مجدد کوانتوم‌های نوری به نام فوتون‌ها تعامل می‌کنند. به طور مشابه، در یک مایع اسپینی کوانتومی، تعامل بین اسپینون‌ها به صورت تبادل کوانتوم‌های نوری توصیف می‌شود.” این تشبیه، مطالعه مایعات اسپینی کوانتومی را با الکترودینامیک کوانتومی (QED) مرتبط می‌کند؛ نظریه‌ای که توصیف می‌کند چگونه الکترون‌ها از طریق تبادل فوتون‌ها با یکدیگر تعامل می‌کنند و پایه‌گذار مدل استاندارد فیزیک ذرات است.

به همین ترتیب، نظریه مغناطیس‌های پیروکلور نیز اسپینون‌ها را به عنوان ذراتی توصیف می‌کند که از طریق “فوتون‌های” نوظهور با یکدیگر تعامل دارند. با این حال، بر خلاف QED در جهان ما که نور با سرعت ثابتی حرکت می‌کند، “نور” نوظهور در این مغناطیس‌ها بسیار کندتر است – حدود ۱۰۰ برابر کندتر از سرعت اسپینون‌ها. این تفاوت چشمگیر منجر به پدیده‌های جالبی مانند تابش چرنکوف و افزایش احتمال تولید جفت ذرات-پادذره می‌شود. هنگامی که این یافته‌ها با تحقیقات مکمل گروهی از فیزیک‌دانان در دانشگاه تورنتو ترکیب شد، شواهد روشنی برای تعاملات مشابه QED در داده‌های تجربی ارائه شد. سیبیل گفت: “دیدن نتیجه‌گیری چنین آزمایش دشواری و تلاش‌های متمرکز نظریه‌پردازان بسیار هیجان‌انگیز است.”

کاربردهای آینده

این مطالعه برخی از واضح‌ترین شواهد تجربی را برای حالات مایع اسپینی کوانتومی و برانگیختگی‌های فراکشنالی آن‌ها ارائه می‌دهد. این تحقیق تأیید می‌کند که موادی مانند استنات سریم می‌توانند این فازهای عجیب ماده را در خود جای دهند، که نه تنها برای فیزیک بنیادی جالب هستند، بلکه می‌توانند تأثیراتی بر فناوری‌های کوانتومی مانند محاسبات کوانتومی داشته باشند. نتایج همچنین نشان می‌دهد که ممکن است بتوانیم این مواد را تنظیم کنیم تا پدیده‌های کوانتومی مختلفی مانند وجود ذرات دوتایی را بررسی کنیم، که درهای جدیدی را برای تحقیقات آینده باز می‌کند.

ذرات دوتایی، که به نام ویزون‌ها شناخته می‌شوند، با اسپینون‌ها متفاوت هستند زیرا بار الکتریکی به جای بار مغناطیسی دارند. آن‌ها شبیه به مونوپول‌های مغناطیسی نظری هستند که تقریباً یک قرن پیش توسط پیشگام مکانیک کوانتومی، پل دیراک، پیشنهاد شدند و او پیش‌بینی کرده بود که این ذرات دارای کمیت خاصی هستند. اگرچه مونوپول‌های مغناطیسی هرگز مشاهده نشده‌اند و توسط نظریه‌پردازان انرژی بالا به شدت غیرمحتمل تلقی می‌شوند، این ایده همچنان جنبه‌ای جذاب از فیزیک مدرن باقی مانده است. نیویدومسکی گفت: “پس از این کشف، جستجوی شواهدی از ذرات شبیه مونوپول در یک جهان آزمایشی که از چرخش‌های الکترون در یک قطعه ماده تشکیل شده، بسیار هیجان‌انگیزتر است.”

این تحقیق توسط بنیاد ملی علوم سوئیس (R.S. و V.P.، گرنت شماره 200021_179150)، بنیاد ملی علوم ایالات متحده در 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.) حمایت شده است.