یخ اسپین کوانتومی واقعی است: فیزیکدانان وضعیت غیرمعمول ماده را تأیید میکنند
پژوهشگران شواهد واضحی از تحریکات کوانتومی غیرمعمول در یک مایع اسپین سهبعدی نادر کشف کردهاند و دههها نظریه را تأیید میکنند.
یک گروه پژوهشی بینالمللی بهسرپرستی پنگچنگ دای از دانشگاه ریس، اکنون حضور فوتونهای نوظهور و تحریکات اسپینی کسری را در یک مایع اسپین کوانتومی نادر تأیید کرد. این مطالعه که در نشریه Nature Physics منتشر شده است، نشان میدهد ترکیب بلوری سرئوم‑زیرکونیوم اکسید (Ce₂Zr₂O₇) نمونهای قابل لمس و سهبعدی از این وضعیت غیرمعمول ماده است.
مایعهای اسپین کوانتومی برای سالها نظریهپردازان را مجذوب خود کردهاند، چرا که میتوانند فناوریهای تحولآفرینی همچون محاسبات کوانتومی و انتقال انرژی بدون تلفات را ممکن سازند. برخلاف آهنرباهای معمولی، این مواد در دماهای نزدیک به صفر مطلق، رفتارهای شدیداً درهمتنیدهای در لحظات مغناطیسی خود نشان میدهند و شرایطی را ایجاد میکنند که در آن الکترودینامیک کوانتومی نوظهور میتواند بروز پیدا کند.
«بهوسیله شناسایی مستقیم این تحریکات، به سؤال اساسی مهمی پاسخ دادیم»، گفت دای، استاد فیزیک و نجوم سام و هلن وردن. «این تأیید میکند که Ce₂Zr₂O₇ به عنوان یک یخ اسپین کوانتومی واقعی رفتار میکند؛ یک دسته خاص از مایعهای اسپین کوانتومی در سهبعدی.»
شفافیت تجربی در میدانی پر از نویز
برای کشف این رفتارها، گروه از روشهای پیشرفتهٔ پراکندگی نوترونی قطبیشده استفاده کرد که میتوانست سیگنالهای مغناطیسی را از سایر انواع پراکندگی جدا کند، حتی در شرایط دمای نزدیک به صفر. این روش به آنها این امکان را داد تا الگوهای خاصی را که حضور مایع اسپین کوانتومی را نشان میدهد، دقیقاً شناسایی کنند.
در عین حال، اندازهگیریهای تیم نشان داد که سیگنالهای فوتون نوظهر در انرژی تقریباً صفر ظاهر میشوند — ویژگیای که یخ اسپین کوانتومی را از فازهای مغناطیسی معمولی متمایز میکند. آزمایشهای تکمیلی حرارت ویژه ترکیب این نتیجه را تقویت کرد و نشان داد که فوتونهای نوظهر مورد انتظار بهگونهای در ماده پراکنده میشوند که مشابه حرکت امواج صوتی در یک جامد است.
نویز فنی و دادههای ناقص بهطور مکرر تلاشهای اولیه برای تأیید این رفتار را دشوار میساختند. تیم پژوهشی به رهبری ریس این موانع را با بهبود فرایندهای آمادهسازی نمونه و ابزارهای دقیق، بهعلاوه همکاریهای بینالمللی با آزمایشگاههای بزرگ در اروپا و آمریکای شمالی، برطرف کرد.
دستآورد علمی نخستین با تأثیرات گسترده
قابلتوجه است که فوتونهای نوظهر و اسپینونها — ویژگیهای بارز یخ اسپین کوانتومی — در یک مادهٔ کاندیدای سهبعدی مشاهده شدند. این کشف پژوهشگران مناظرهٔ طولانیمدت در فیزیک ماده چگال را به پایان میرساند و بستر محکمی برای بررسی فناوریهای نسل آینده فراهم میکند.
این نتیجهٔ بنیادین دههها پیشبینی نظری را تأیید میکند، گفت بین گائو، پژوهشگر در بخش فیزیک و نجوم دانشگاه ریس و نویسندهٔ اول این مطالعه.
«این نتیجهٔ شگفتانگیز، دانشمندان را تشویق میکند تا بهعمق بیشتری به چنین مواد منحصر بهفردی بپردازند و ممکن است درک ما از آهنرباها و رفتار مواد در حوزهٔ شدید کوانتومی را دگرگون سازد»، گاؤ افزود.
مرجع: «پراکندگی نوترونی و شواهد ترمودینامیکی برای فوتونهای نوظهر و کسریسازی در یخ اسپین پیوچلور» توسط بین گائو، فلیکس دسروشر، دیوید دبلیو. تام، دیانا م. کرشباوم، پل استفنز، آرنو هیس، دوای ها نگوین، ییکسی سو، سانگ‑ووک چونگ، سیلکه پاژن، یونگ بیک کیم و پنگچنگ دای، ۱۹ ژوئن ۲۰۲۵، Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-025-02922-9
همنویسندگان این مطالعه شامل فلیکس دسروشر و یونگ بیک کیم از دانشگاه تورنتو؛ دیوید تام، فارغالتحصیل دانشگاه ریس، از مؤسسه پاول اشیر؛ سیلکه پاژن، دیانا کرشباوم و دوای ها نگوین از دانشگاه فنی وین؛ پل استفنز و آرنو هیس از مؤسسه لاو‑لنگفین؛ ییکسی سو از مرکز جوئلیک هینز مایِر‑لِبنیِتز؛ و سانگ‑ووک چونگ از دانشگاه روتگرز هستند.
دپارتمان انرژی ایالات متحده، بنیاد گوردون و بتی مور و بنیاد رابرت ای. ولچ از این پژوهش حمایت کردند.