کشف حالت جدیدی از ماده در الکترون‌ها توسط فیزیکدانان FSU؛ بستری نوین برای مطالعه پدیده‌های کوانتومی
برق از طریق حرکت الکترون‌ها در یک مدار، نیروی لازم برای زندگی ما، از جمله خودروها، تلفن‌ها، کامپیوترها و موارد دیگر را تأمین می‌کند. هرچند ما نمی‌توانیم این الکترون‌ها را ببینیم، جریان‌های الکتریکی که در یک رسانا حرکت می‌کنند، مانند آبی که در لوله جریان دارد، الکتریسیته تولید می‌کنند.
با این حال، برخی مواد به این جریان الکترونی اجازه می‌دهند تا به شکل‌های بلورین «یخ بزند» و باعث گذار در حالت ماده‌ای شوند که الکترون‌ها به صورت جمعی تشکیل می‌دهند. این پدیده، ماده را از یک رسانا به یک نارسانا تبدیل کرده، جریان الکترون‌ها را متوقف می‌کند و پنجره‌ای منحصربه‌فرد برای مشاهده رفتار پیچیده آن‌ها فراهم می‌آورد. این پدیده امکان توسعه فناوری‌های جدیدی در محاسبات کوانتومی، ابررسانایی پیشرفته برای انرژی و تصویربرداری پزشکی، روشنایی و ساعت‌های اتمی بسیار دقیق را فراهم می‌کند.
تیمی از فیزیکدانان مستقر در دانشگاه ایالتی فلوریدا، شامل آمان کومار، پژوهشگر فوق‌دکترای دیراک در آزمایشگاه ملی میدان مغناطیسی بالا، هیتش چنگلانی، دانشیار، و سیپریان لواندوفسکی، استادیار، شرایط لازم برای پایدارسازی فازی از ماده را نشان داده‌اند که در آن الکترون‌ها در یک شبکه بلوری جامد وجود دارند اما می‌توانند به حالت مایع «ذوب شوند». این حالت به «بلور ویگنر تعمیم‌یافته» معروف است. نتایج کار آن‌ها در نشریه npj Quantum Materials، از انتشارات نیچر، منتشر شده است.
سازوکار آن
انتظار می‌رود الکترون‌ها در سیستم‌های دوبعدی در چگالی‌های خاصی، بلورهای ویگنر را تشکیل دهند که اولین بار در سال ۱۹۳۴ نظریه‌پردازی شدند. این بلورها در چندین آزمایش اخیر شناسایی شده‌اند، اما مشخص نبود که این حالت‌های منحصربه‌فرد با در نظر گرفتن اثرات مکانیک کوانتومی اضافی چگونه به وجود می‌آیند.
چنگلانی می‌گوید: «در مطالعه خود، ما مشخص کردیم که کدام «پارامترهای کوانتومی» را باید تنظیم کرد تا این گذار فاز را فعال کرده و به یک بلور ویگنر تعمیم‌یافته دست یابیم. این حالت از یک سیستم موآره دوبعدی استفاده می‌کند و برخلاف بلورهای ویگنر سنتی که تنها شبکه بلوری مثلثی را نشان می‌دهند، اجازه می‌دهد شکل‌های بلوری متفاوتی مانند نواری یا لانه زنبوری تشکیل شوند.»
پژوهشگران از مرکز محاسبات تحقیقاتی FSU، که یک واحد خدمات دانشگاهی زیرمجموعه خدمات فناوری اطلاعات است، و برنامه ACCESS بنیاد ملی علوم، یک برنامه پیشرفته منابع محاسباتی و داده‌ای زیر نظر دفتر زیرساخت‌های سایبری پیشرفته، برای انجام محاسبات و اجرای شبیه‌سازی‌های بزرگ‌مقیاس با استفاده از تکنیک‌های عددی مانند قطری‌سازی دقیق، گروه بازبهنجارش ماتریس چگالی و شبیه‌سازی‌های مونت کارلو استفاده کردند.
در مکانیک کوانتومی، برای هر الکترون دو قطعه اطلاعات کوانتومی وجود دارد. وقتی با صدها و هزاران الکترون سروکار داریم، حجم اطلاعات بسیار زیاد می‌شود. الگوریتم‌ها و تکنیک‌های عددی مورد استفاده این تیم، این حجم عظیم اطلاعات را به شبکه‌های قابل فهمی ساده‌سازی می‌کنند و به پژوهشگران اجازه می‌دهند تا از آن بینش کسب کنند.
کومار می‌گوید: «ما قادریم یافته‌های تجربی را از طریق درک نظری خود از حالت ماده شبیه‌سازی کنیم. ما محاسبات نظری دقیقی را با استفاده از پیشرفته‌ترین محاسبات شبکه تانسوری و قطری‌سازی دقیق، که یک تکنیک عددی قدرتمند در فیزیک برای جمع‌آوری جزئیات درباره یک هامیلتونی کوانتومی (نشان‌دهنده کل انرژی کوانتومی در یک سیستم) است، انجام می‌دهیم. از این طریق، می‌توانیم تصویری از چگونگی به وجود آمدن حالت‌های بلوری و چرایی برتری آن‌ها نسبت به سایر حالت‌های رقیب از نظر انرژی ارائه دهیم.»
پین‌بال‌های کوانتومی
این تیم همچنین حالت جدیدی از ماده را کشف کرد که در آن به دلیل رفتارهای غیرمعمول الکترون‌ها، خواص رسانایی و نارسایی به طور همزمان وجود دارند. آن‌ها دریافتند که بلور ویگنر تعمیم‌یافته می‌تواند به طور جزئی «ذوب شود»؛ در حالی که برخی الکترون‌ها یخ‌زده باقی می‌مانند، الکترون‌های دیگر نامتمرکز شده و شروع به حرکت در سراسر سیستم می‌کنند، شبیه به توپی که در یک ماشین پین‌بال با سرعت بین پین‌های ثابت حرکت می‌کند.
لواندوفسکی می‌گوید: «این فاز پین‌بال یک حالت بسیار هیجان‌انگیز از ماده است که ما هنگام تحقیق بر روی بلور ویگنر تعمیم‌یافته مشاهده کردیم. برخی الکترون‌ها تمایل به «یخ زدن» دارند و برخی دیگر می‌خواهند آزادانه حرکت کنند، به این معنی که برخی نارسانا و برخی دیگر رسانای الکتریسیته هستند. این اولین بار است که این اثر مکانیک کوانتومی منحصربه‌فرد برای چگالی الکترونی که ما در کار خود مطالعه کردیم، مشاهده و گزارش می‌شود.»
چرا این کشف اهمیت دارد؟
این تحقیق به دانشمندان درک بیشتری از چگونگی دستکاری حالت‌های ماده می‌دهد.
لواندوفسکی می‌گوید: «چه چیزی باعث می‌شود یک ماده نارسانا، رسانا یا مغناطیسی باشد؟ آیا می‌توانیم چیزی را به حالتی دیگر تبدیل کنیم؟ ما به دنبال پیش‌بینی این هستیم که فازهای خاصی از ماده در کجا وجود دارند و چگونه یک حالت می‌تواند به حالت دیگر گذار کند. وقتی به تبدیل مایع به گاز فکر می‌کنید، تصور می‌کنید که درجه حرارت را بالا می‌برید تا آب به بخار تبدیل شود. در اینجا، به نظر می‌رسد «پارامترهای کوانتومی» دیگری وجود دارند که می‌توانیم با دستکاری آن‌ها حالت‌های ماده را تغییر دهیم، که این می‌تواند به پیشرفت‌های چشمگیری در تحقیقات تجربی منجر شود.»
تنظیم این پارامترها یا مقیاس‌های انرژی می‌تواند گذارهای فاز در الکترون‌ها را از جامد به مایع هدایت کند. مطالعه بلورهای ویگنر بینش‌های منحصربه‌فردی در مورد فازهای کوانتومی ماده ارائه می‌دهد و کاربردهای بالقوه‌ای در محاسبات کوانتومی قدرتمند و در اسپینترونیک دارد؛ یک حوزه انقلابی جدید در فیزیک ماده چگال که می‌تواند ظرفیت حافظه و پردازش منطقی دستگاه‌های نانوالکترونیکی را افزایش دهد و همزمان مصرف انرژی و هزینه‌های تولید را کاهش دهد.
این تیم تحقیقاتی امیدوار است که رفتار جمعی الکترون‌ها را بهتر درک کرده و به سوالات نظری پاسخ دهد که می‌تواند به کاربردهای پیشگامانه‌ای در فناوری‌های کوانتومی، ابررسانایی و اتمی منجر شود.
برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد تحقیقات انجام شده در دپارتمان فیزیک FSU، به physics.fsu.edu مراجعه کنید. برای اطلاعات بیشتر در مورد آزمایشگاه ملی میدان مغناطیسی بالا مستقر در FSU، به nationalmaglab.org مراجعه کنید.