کشف حالتهای کوانتومی جدید در موآرههای پیچخورده مولیبدن؛ گامی به سوی محاسبه کوانتومی توپولوژیکی
مادههای کوانتومی در شرایط ویژهای نظیر دمای بسیار پایین یا فشار بالا، طیف وسیعی از حالتهای عجیب و جذاب را به نمایش میگذارند. محققان این مجموعه را به «باغوحش کوانتومی» تشبیه میکنند که گونههای ناشناختهی بسیاری در آن پنهان است. اخیراً تیمی از دانشمندان موفق شدهاند گونههایی را که تا پیش از این تنها وجود تئوری داشتند، به صورت تجربی مشاهده کنند؛ دستاوردی که میتواند راهگشای کاهش خطا در محاسبات کوانتومی باشد.
بر اساس گزارشی از فیز.اُرج، محققان دانشگاه کلمبیا برای اولین بار حالتهای کوانتومیِ پیشینناپدید را در یک ماده دو بعدی رصد کردهاند. این حالتها کاندیدای ایدهآل برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی توپولوژیکی محسوب میشوند. برخلاف سیستمهای کوانتومی رایج که حساسیت بالایی نسبت به تداخل مغناطیسی دارند و دچار خطا میشوند، معماری توپولوژیکی ثبات بسیار بیشتری برخوردار است و نرخ خطای کمتری را تضمین میکند.
🔗 بیشتر بخوانید: غذاهای فوق فرآوری شده با ریسک بالای برخی از سرطان ها پیوند دارند
تا کنون، ایجاد حالتهای توپولوژیکی مستلزم اعمال میدان مغناطیسی خارجی بود که خود عامل اختلال در کیوبیتهای حساس کوانتومی میشد. بنابراین، دستیابی به روشی برای به وجود آوردن این حالتها بدون نیاز به مغناطیس خارجی، چالشی اساسی محسوب میشد.
اکنون محققان اعلام کردهاند که این موانع را برطرف کردهاند. با بهرهگیری از یک تکنیک نوری با حساسیت بسیار بالا، آنها حالتهایی را کشف کردند که برای ظهورشان به هیچ میدان مغناطیسی خارجی نیازی ندارند. این حالتها به طور ذاتی در مادهای به نام «دیتلورید مولیبدن پیچخورده» (Twisted MoTe₂) بروز میکنند؛ این ماده یک موآره دو بعدی است.
🔗 بیشتر بخوانید: تراشههای صوتی کوالکام S5 Gen 3 و S3 Gen 3 با هوش مصنوعی معارفه شدند_دانستنی
کشف حالتهای تازه کوانتومی
برای درک بهتر این دستاورد، پیش از هر چیز باید به «افکت هال» بپردازیم. فیزیکدان آمریکایی ادوین هال در سال ۱۸۷۹ تشریح کرد که الکترونها در لبههای یک فلز تحت تأثیر میدان مغناطیسی چگونه جریان مییابند: هرچه شدت آهنربا بیشتر باشد، اختلاف ولتاژ (ولتاژ هال) در فلز نیز قویتر خواهد بود.
وقتی الکترونها در دمای بسیار پایین و در حالت دو بعدی تحت میدان مغناطیسی قرار میگیرند — جایی که اثرات مکانیک کوانتومی آشکار میشوند — تغییر ولتاژ دیگر به صورت خطی و متناسب با میدان مغناطیسی نیست. ولتاژ «کوانتیزه» شده و به صورت گسسته و مرحلهای، تابعی از بار الکترونی، جهش میکند.
این پلههای کوانتومی خود قابل تجزیه به مراحل ریزتری هستند؛ حالتهایی با بارهای کسری از بار الکترون (مانند ۱/۲-، ۱/۳-، ۲/۳- و …) که وجودشان توسط پروفسور بازنشسته کلمبیا، هورست اشتورمر، اثبات شد و او در سال ۱۹۹۸ جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد.
دورهها است که محققان در پی «افکت هال کوانتومی کسری» بودهاند و این پدیده در مواد مختلف مشاهده شده است. پژوهش حاضر ادامه و تعمیق همین مسیر است.
در افکت هال کوانتومی کسری، الکترونها به صورت جمعی در ماده حرکت کرده و شبهذراتی با بارهای کسری از بار الکترون را شکل میدهند. دینامیک این شبهذرات عجیب، نه مشابه الکترونها و نه فوتونهاست. اگرچه این پدیده غیرمستقیم به نظر برسد، اما در چارچوب مکانیک کوانتومی محققیت مییابد. نکته حیاتی این که تحقق این پدیده مستلزم میدانهای مغناطیسی خارجی بسیار قوی بود که محققان کوشیده بودند از وابستگی به آن خلاص شوند.
تیم محققان متوجه شدند که وقتی لایههای دیتلورید مولیبدن به صورت خاصی بر هم پیچانده میشوند، ساختار توپولوژیک مییابد. این بدان معناست که الکترونها در ترتیبات خاصی قرار میگیرند که باعث میشود به عنوان یک کل واحد بزرگتر رفتار کنند. این کل میتواند به طور غیرمستقیم به بارهای هال کوانتومی کسری تجزیه شود. این فرآیند در واقع یک میدان مغناطیسی داخلی موثر را در ماده به وجود میآورد و در نتیجه، نیاز به آهنربای خارجی از بین میرود.
یافتههای این پژوهش در نشریه معتبر نیچر منتشر شده است.
