آنیونهای «هر چیز میتواند» ممکن است ریشهٔ آزمایشهای شگفتانگیز کوانتومی باشند
نوشته جنیفر چو، مؤسسه فناوری ماساچوست
ویرایش توسط لیسا لاک؛ بازبینی توسط رابرت ایگان
در سال گذشته، دو آزمایش جداگانه در دو ماده متفاوت، همان وضعیت سردرگمکننده را به تصویر کشیدند: همزیستی ابررسانایی و مغناطیس. دانشمندان پیش از این فرض میکردند که این دو حالت کوانتومی بهصورت متقابل منفرد هستند؛ حضور یکی بهصورت ذاتی باید دیگری را از بین ببرد.
اکنون، فیزیکدانان نظری در MIT یک توضیح برای چگونگی ظهور این دوگانگی شبیه جیکل‑هایید ارائه دادهاند. در مقالهای که در Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده، تیم پیشنهادی میکند که تحت شرایط خاص، الکترونهای یک مادهٔ مغناطیسی میتوانند به بخشهای کوچکی تقسیم شوند و ذرههای شبهذرهای به نام «آنیونها» تشکیل دهند. در برخی بخشها، این شبهذرهها میتوانند بدون اصطکاک جریان داشته باشند، مشابه اینکه الکترونهای معمولی در ابررساناهای سنتی بهصورت جفتهای کوپر جریان مییابند.
اگر سناریوی تیم صحیح باشد، نوعی کاملاً جدید از ابررسانایی معرفی میشود — گونهای که در حضور مغناطیس پایدار میماند و بهجای الکترونهای روزمره، جریان ابر از آنیونهای عجیب تشکیل میدهد.
«آزمایشهای بیشتری لازم است پیش از آنکه بتوان پیروزی را اعلام کرد»، میگوید نویسندهٔ اصلی مطالعه، سنتیل تودادری، استاد فیزیک ویلیام و امّا راجرز در MIT. «اما این نظریه بسیار امیدبخش است و نشان میدهد که میتوان راههای جدیدی برای بروز پدیدهٔ ابررسانایی یافت.»
علاوه بر این، اگر ایدهٔ آنیونهای ابررسانا تأیید و در مواد دیگر کنترل شود، میتواند روش جدیدی برای طراحی کیوبیتهای پایدار فراهم کند — «بیتهای» اتمی که بهصورت کوانتومی با یکدیگر تعامل میکنند تا اطلاعات را پردازش کرده و محاسبات پیچیده را بهمراتب مؤثرتر از بیتهای رایانهای معمولی انجام دهند.
«اگر این ایدههای نظری به ثمر برسند، میتوانند این رویای بزرگ را به گامی کوچک در دسترس تبدیل کنند»، تودادری میگوید.
همنویسندهٔ این مطالعه، دانشجوی کارشناسی ارشد فیزیک MIT، ژنگیان داریوس شی است.
«هر چیز میتواند»
ابررسانایی و مغناطیس حالتهای ماکروسکوپی هستند که از رفتار الکترونها ناشی میشوند. یک ماده وقتی مغناطیس است که الکترونهای ساختار اتمی آن تقریباً همان اسپین یا حرکت مداری را داشته باشند و بهصورت جمعی میدان مغناطیسی در کل ماده ایجاد کنند. یک ماده ابررسانا است وقتی الکترونهای عبوری میتوانند در قالب «جفتهای کوپر» بههم پیوندند؛ در این حالت، الکترونها میتوانند بدون اصطکاک درون ماده حرکت کنند، نه اینکه بهصورت تصادفی به شبکهٔ اتمی برخورد کنند.
برای دههها تصور میشد که ابررسانایی و مغناطیس نباید همزمان وجود داشته باشند؛ ابررسانایی حالت حساسی است و هر میدان مغناطیسی میتواند بهراحتی پیوندهای جفتهای کوپر را قطع کند. اما اوایل امسال، دو آزمایش جداگانه این تصور را رد کردند. در اولین آزمایش، لانگ جو و همکارانش در MIT ابررسانایی و مغناطیس را در گرافن رِمبُئیدال — مادهای سنتزی ساختهشده از چهار یا پنج لایهٔ گرافن — کشف کردند.
«این فوقالعادهالکتریکی بود»، میگوید تودادری که به یاد دارد جو نتایج را در یک کنفرانس ارائه کرده است. «این فضا را زنده کرد و سؤالهای بیشتری دربارهٔ امکانپذیری این پدیده برانگیخت.»
کمی پس از آن، تیم دوم وضعیتهای دوگانه مشابهی را در کریستال نیمههادی مولیبدن دیتلوراید (MoTe2) گزارش کرد. جالب این است که شرایطی که در آن MoTe2 ابررسانا میشود، همان شرایطی است که ماده در آن اثر «هال کوانتومی فراکشنال غیرعادی» (FQAH) را نشان میدهد، پدیدهای که در آن هر الکترونی که از ماده عبور میکند، به بخشهای کوچکی از خود تقسیم میشود. این ذرههای فراکشنال به نام «آنیونها» شناخته میشوند.
آنیونها کاملاً متفاوت از دو نوع اصلی ذرهای که جهان را تشکیل میدهند — بوزونها و فرمیونها — هستند. بوزونها ذرههای «اجتماعی» هستند؛ آنها تمایل دارند در کنار یکدیگر باشند و بهصورت گروهی حرکت کنند. نمونهٔ کلاسیک بوزون، فوتون است. در مقابل، فرمیونها تمایل دارند تنها بمانند و در صورت نزدیک شدن بیش از حد به یکدیگر، از هم دور شوند. الکترونها، پروتونها و نوترونها نمونههای فرمیون هستند. بوزونها و فرمیونها دو پادشاهی اصلی ذرهها در جهان سهبعدی هستند.
آنیونها، برعکس، تنها در فضای دو‑بعدی وجود دارند. این نوع سوم ذره در دههٔ ۱۹۸۰ پیشبینی شد و نام آن توسط فرانک ویلچک از MIT بهعنوان یک اشارهٔ شوخطبعانه به این ایده که «هرچیز میتواند» انتخاب شد.
چند سال پس از پیشبینی اولیه آنیونها، فیزیکدانانی همچون رابرت لافلین (دکترای ۱۹۷۹)، ویلچک و دیگران نیز نظریهپردازی کردند که در حضور مغناطیس، این ذرههای شبهذره میتوانند بهصورت ابررسانا عمل کنند.
«مردم میدانستند که برای بهدست آوردن ابررسانایی آنیونها معمولاً به مغناطیس نیاز است و در بسیاری از مواد ابررسانا به دنبال مغناطیس میگشتند»، میگوید تودادری. «اما ابررسانایی و مغناطیس عموماً همزمان رخ نمیدهند؛ بنابراین این ایده کنار گذاشته شد.»
اما با کشف اخیر که این دو حالت میتوانند در واقع بهطور مسالمتآمیز در برخی مواد، بهویژه در MoTe2، همزیست شوند، تودادری پرسید: آیا نظریهٔ قدیمی و آنیونهای ابررسانا میتوانند در عمل باشند؟
عبور از سرگیجه
تودادری و شی برای پاسخ به این سؤال بهصورت نظری اقدام کردند، بر پایهٔ کارهای اخیر خود. در مطالعهٔ جدیدشان، تیم شرایطی را بررسی کرد که در آن آنیونهای ابررسانا میتوانند در یک مادهٔ دو‑بعدی ظاهر شوند. برای این کار، آنها معادلات نظریه میادین کوانتومی را بهکار گرفتند، که توصیف میکند چطور تعاملات در مقیاس کوانتومی، مانند سطوح تک‑آنیون، میتوانند بهسوی حالتهای ماکروسکوپی چون ابررسانایی منجر شوند. این کار ساده نبود، زیرا آنیونها بهطور مشهوری در حرکت مقاومت میکنند، چه بسا این مقاومت در رسیدن به ابررسانایی هم باشد.
«وقتی آنیونها در سیستم حضور دارند، هر آنیون سعی میکند حرکت کند، اما حضور دیگر آنیونها سرگیجهای برای آن ایجاد میکند»، تودادری توضیح میدهد. «این سرگیجه حتی اگر آنیونها فاصلهٔ بسیار زیادی از یکدیگر داشته باشند، رخ میدهد. و این یک اثر کاملاً مکانیک کوانتومی است.»
با اینحال، تیم بهدنبال شرایطی بود که در آن آنیونها میتوانند این سرگیجه را پشت سر بگذارند و بهصورت یک مایع ماکروسکوپی واحد حرکت کنند. آنیونها هنگامی شکل میگیرند که الکترونها در شرایط خاصی در مواد دو‑بعدی، تک‑لایهٔ اتمی، مانند MoTe2، به بخشهای کوچکی تجزیه شوند. پیشتر دانشمندان مشاهده کرده بودند که MoTe2 پدیدهٔ FQAH را نشان میدهد، که در آن الکترونها بدون کمک میدان مغناطیسی خارجی بهصورت فراکشنال میشوند.
تودادری و شی MoTe2 را بهعنوان نقطهٔ شروع کار نظری خود در نظر گرفتند. آنها شرایطی که در آن پدیدهٔ FQAH در MoTe2 ظاهر میشود، مدلسازی کردند و سپس بررسی کردند که الکترونها چگونه تجزیه میشوند و چه نوعی آنیون در اثر افزايش تعداد الکترونها در ماده تولید میشود.
آنها متوجه شدند که بسته به چگالی الکترونی ماده، دو نوع آنیون میتوانند شکل بگیرند: آنیونهایی با بار یک‑سوم یا دو‑سوم یک الکترون. سپس معادلات نظریه میادین کوانتومی را بهکار بردند تا تعامل هر یک از این دو نوع آنیون را بررسی کنند و دریافتند که وقتی آنیونها عمدتاً از نوع یک‑سوم باشند، بهطور پیشبینیشده سرگیجه میکنند و حرکت آنها منجر به هدایت معمولی فلزی میشود.
اما وقتی آنیونها عمدتاً از نوع دو‑سوم باشند، این بخش خاص آنها را تشویق میکند تا بهجای سرگیجه، بهصورت جمعی حرکت کنند و یک ابررسانا تشکیل دهند، مشابه اینکه الکترونها میتوانند جفتشده و در ابررساناهای سنتی جریان یابند.
«این آنیونها سرگیجه خود را پشت سر میگذارند و میتوانند بدون اصطکاک حرکت کنند»، تودادری میگوید. «مورد شگفتانگیز این است که این یک مکانیزم کاملاً متفاوت برای شکلگیری یک ابررسانا است، اما بهگونهای که میتوان آن را شبیهسازی به عنوان جفتهای کوپر در هر سیستم دیگری توصیف کرد.»
کار آنها نشان داد که آنیونهای ابررسانا میتوانند در برخی چگالیهای الکترونی ظاهر شوند. علاوه بر این، آنها پی بردند که وقتی این آنیونها برای اولین بار ظاهر میشوند، بهصورت یک الگوی کاملاً جدید از جریانهای ابرگردان چرخشی در مکانهای تصادفی در سراسر ماده پدیدار میشوند. این رفتار با ابررساناهای سنتی متفاوت است و یک حالت عجیب است که میتواند توسط آزمایشگرها بهعنوان نشانهای برای تأیید نظریهٔ تیم مورد بررسی قرار گیرد. اگر نظریهٔ آنها صحیح باشد، نوع جدیدی از ابررسانایی که از طریق تعاملات کوانتومی آنیونها رخ میدهد، معرفی میشود.
«اگر توضیح مبتنی بر آنیون ما در MoTe2 بهدرستی رخ میدهد، این دروازهای به سوی مطالعهٔ نوعی جدید از مادهٔ کوانتومی باز میکند که ممکن است «مادهٔ کوانتومی آنیونی» نامیده شود»، تودادری میگوید. «این یک فصل جدید در فیزیک کوانتومی خواهد بود.»