مليارات الإلكترونات المتشابكة الموجودة في "معدن غريب"


في دراسة جديدة ، لاحظ علماء الفيزياء في الولايات المتحدة والنمسا التشابك الكمومي بين "مليارات المليارات" من الإلكترونات المتدفقة في مادة حرجة الكم.

بحث البحث ، الذي ظهر هذا الأسبوع في مجلة ساينس Science ، السلوك الإلكتروني والمغناطيسي لمركب "معدن غريب" من الإيتربيوم والروديوم والسيليكون ، حيث اقترب من مرحلة انتقالية حرجة على الحدود بين مرحلتين كميتين مدروستين جيدًا.

قال مؤلف مشارك في الدراسة ، كيمياو سي من رايس ، إن الدراسة التي أجرتها جامعة رايس وجامعة فيينا للتكنولوجيا (TU Wien) توفر أقوى دليل مباشر حتى الآن على دور التشابك في إحداث الأهمية الكمومية.

وقال سي "عندما نفكر في التشابك الكمومي ، نفكر في أشياء صغيرة". "نحن لا نربطها بأجسام ماكروسكوبية. لكن في نقطة حرجة ، الأشياء جماعية إلى حد أن لدينا هذه الفرصة لرؤية آثار التشابك ، حتى في فيلم معدني يحتوي على بلايين المليارات من الكائنات الميكانيكية الكم."

لقد قضى Si ، وهو فيزيائي نظري ومدير مركز الأرز للمواد الكمومية (RCQM) ، أكثر من عقدين في دراسة ما يحدث عندما تغير مواد مثل المعادن الغريبة والموصلات الفائقة عالية الحرارة المراحل الكمومية. إن فهم هذه المواد بشكل أفضل يمكن أن يفتح الباب أمام التقنيات الحديثة في مجال الحوسبة والاتصالات والمزيد.

تغلب الفريق الدولي على العديد من التحديات للحصول على النتيجة. طور باحثو TU Wien تقنية تركيب المواد شديدة التعقيد لإنتاج أفلام فائقة النقاء تحتوي على جزء واحد من الإيتربيوم لكل جزأين من الروديوم والسليكون (YbRh 2 Si 2 ). في درجة حرارة الصفر المطلقة ، تمر المادة بمرحلة انتقالية من مرحلة كمومية تشكل ترتيبًا مغنطيسيًا إلى آخر لا يحدث.

في رايس ، أجرى شينوي لي ، مؤلف مشارك في الدراسة ، وهو طالب دراسات عليا في مختبر المؤلف المشارك وعضو RCQM جونيشيرو كونو ، تجارب طيفية على تيراهيرتز على الأفلام عند درجات حرارة منخفضة تصل إلى 1.4 كلفن. كشفت قياسات تيراهيرتز عن التوصيل البصري لأفلام YbRh 2 Si 2 حيث تم تبريدها إلى نقطة حرجة كمية تمثل الانتقال من مرحلة كمومية إلى أخرى.

وقال المؤلف المقابل سيلك بوهلر-باشن من معهد فيزياء الحالة الصلبة في جامعة فيينا إن "مع المعادن الغريبة ، هناك علاقة غير عادية بين المقاومة الكهربائية ودرجة الحرارة". "على النقيض من المعادن البسيطة مثل النحاس أو الذهب ، لا يبدو أن هذا يرجع إلى الحركة الحرارية للذرات ، ولكن بسبب التقلبات الكمومية عند درجة حرارة الصفر المطلقة."

لقياس الموصلية البصرية ، قام لي بتلميع الإشعاع الكهرومغناطيسي المتماسك في نطاق تردد تيراهيرتز أعلى الأفلام وتحليل كمية أشعة تيراهيرتز التي مرت من خلال وظيفة التردد والحرارة. وقال الباحثون إن التجارب كشفت عن "التردد على قياس درجة الحرارة" ، وهي علامة واضحة على الأهمية الحرجة.

وقال كونو ، وهو مهندس فيزيائي في كلية براون رايس للهندسة ، إن القياسات كانت مضنية بالنسبة لي ، الذي أصبح الآن باحثًا بعد الدكتوراه في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. على سبيل المثال ، تم تمرير جزء ضئيل فقط من إشعاع تيراهيرتز على العينة إلى الكاشف ، وكان القياس المهم هو مقدار ارتفاع هذا الكسر أو انخفاضه في درجات حرارة مختلفة.

وقال كونو "أقل من 0.1٪ من إجمالي إشعاع تيراهيرتز تم إرساله ، وكانت الإشارة ، التي كانت تباين الموصلية كدالة للتردد ، قليلة أخرى في المئة من ذلك" "استغرق الأمر عدة ساعات لاتخاذ بيانات موثوقة في كل درجة حرارة إلى متوسط ​​على العديد من القياسات ، وكان من الضروري أخذ البيانات في العديد من درجات الحرارة لإثبات وجود القياس.

"كان Xinwei صبور جدا جدا وثابتة" ، وقال كونو. "بالإضافة إلى ذلك ، قام بمعالجة الكميات الضخمة من البيانات التي جمعها لتكشف عن قانون التوسع الذي كان مذهلاً حقًا بالنسبة لي."

صنع الأفلام كان أكثر صعوبة. لتطويرها رفيعًا بما يكفي لتمرير أشعة تيراهيرتز ، طور فريق TU Wien نظامًا فريدًا لحزم الحزمة الجزيئية وإجراء نمو مفصل. تم تبخير الإيتربيوم والروديوم والسيليكون في وقت واحد من مصادر منفصلة في نسبة 1-2-2 بالضبط. بسبب الطاقة العالية اللازمة لتبخير الروديوم والسليكون ، تطلب النظام حجرة تفريغ عالية التجهيز مصنوعة خصيصًا من خلال مبخرين بحزم إلكترونية.

وقال لوكاس بروتشاسكا ، طالب الدراسات العليا في جامعة فيينا ، مؤلف مشارك في الدراسة: "كانت بطاقتك البرية هي العثور على الركيزة المثالية: الجرمانيوم". وقال إن الجرمانيوم كان شفافًا بالنسبة إلى تيراهيرتز ، ولديه "مسافات ذرية معينة (مماثلة) عمليًا لتلك الموجودة بين ذرات الإيتربيوم في YbRh 2 Si 2 ، وهو ما يفسر الجودة الممتازة للأفلام".

استذكر سي مناقشة التجربة مع Bühler-Paschen قبل أكثر من 15 عامًا عندما كانوا يستكشفون وسائل اختبار فئة جديدة من النقطة الحرجة الكمومية. السمة المميزة لنقطة الكم الحرجة التي كانوا يتقدمون بها مع زملائهم في العمل هي أن التشابك الكمي بين الدورات وتدفقات الشحن أمر بالغ الأهمية.

وقال "عند نقطة حرجة كمّية ، تملي الحكمة التقليدية أن قطاع الدوران فقط سيكون حاسمًا". "لكن إذا كان قطاعا الشحن والتفكيك متشابكين الكم ، فإن قطاع الشحن سينتهي بالأمر الحرج كذلك".

في ذلك الوقت ، لم تكن التكنولوجيا متاحة لاختبار الفرضية ، ولكن بحلول عام 2016 ، كان الوضع قد تغير. استطاعت شركة TU Wien إنتاج الأفلام ، وقد قامت رايس مؤخرًا بتركيب مجهر قوي يمكنه مسحها بحثًا عن العيوب ، وكان لدى Kono مطياف terahertz لقياس الموصلية البصرية. خلال زيارة Bühler-Paschen العلمية إلى رايس في ذلك العام ، تلقت إميلي رينج الخبيرة في مجال الفحص المجهري من رايس و Si و Kono ودعمها لمتابعة المشروع من خلال جائزة التميز متعدد التخصصات من برنامج Creative Ventures الذي أنشأته رايس حديثًا.

وقال سي "من الناحية النظرية ، كانت حقا تجربة أحلام". "ابحث عن قطاع الشحن عند النقطة الحرجة الكمومية المغناطيسية لمعرفة ما إذا كان حرجًا أم لا ، إذا كان هناك تحجيم ديناميكي. إذا لم ترَ أي شيء جماعي ، فهذا هو التحجيم ، يجب أن تنتمي النقطة الحرجة إلى نوع من أنواع الكتب المدرسية. ، إذا رأيت شيئًا فريدًا ، وهو ما فعلناه بالفعل ، فهذا دليل مباشر وجديد على طبيعة التشابك الكمومي في الأهمية الحرجة.

وقال سي إن كل الجهود التي بذلت في الدراسة كانت تستحق كل هذا العناء ، لأن النتائج لها آثار بعيدة المدى.

وقال سي "التشابك الكمي هو الأساس لتخزين ومعالجة المعلومات الكمية". "في الوقت نفسه ، يُعتقد أن الحرجية الكمومية تقود الموصلية الفائقة ذات درجة الحرارة العالية. لذا تشير نتائجنا إلى أن الفيزياء الأساسية نفسها - الأهمية الكمومية - يمكن أن تؤدي إلى منصة لكل من المعلومات الكمومية والموصلية الفائقة ذات درجة الحرارة العالية. عندما يتأمل المرء هذا الاحتمال ، لا يسع المرء إلا أن يتعجب من عجب الطبيعة ".

سي هو أستاذ هاري سي وأولغا ويس في قسم الفيزياء وعلم الفلك في رايس. كونو أستاذ في أقسام رايس في الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات والفيزياء وعلم الفلك وعلوم المواد والهندسة النانوية ومدير برنامج الدراسات العليا في الفيزياء التطبيقية في رايس. رينج هو الآن في جامعة كامبريدج.

من بين المؤلفين الآخرين ، ماكسويل أندروز ، ماكسيميليان بونتا ، فيرنر شرينك ، أندرياس ليمبك و جوتفريد ستراسر ، كل من TU Wien ؛ هيرمان ديتز ، سابقًا في جامعة TU Wien وحالياً في جامعة برنو ؛ إليزابيث بيانكو ، من رايس سابقًا وحالياً في جامعة كورنيل ؛ صادق يزدي ، سابقًا في رايس وحاليًا في جامعة كولورادو بولدر ؛ والمؤلف المشارك المشارك دونالد ماكفرلاند ، الذي كان يعمل سابقًا في جامعة TU Wien وحالياً في جامعة بوفالو.

شارك المقالة عبر:

اترك تعليقا:

اعلانك هنا