حالت‌های کوانتومی جدیدی کشف شد_اسپایدر

مواد کوانتومی می‌توانند در حالت‌های متنوعی ظاهر شوند که فقط در شرایط خاص همانند دمای پایین یا سختی بالا قابل مشاهده است. دانشمندان این حالات گوناگون را به «باغ‌وحش کوانتومی» تشبیه می‌کنند که در آن گونه‌های شگفت‌وغریب و کشف‌نشده بسیاری وجود دارد. اکنون آنها گونه‌هایی را کشف کرده‌اند که تا پیش‌ازاین فقط به‌صوت تئوری وجود آنها اثبات شده می بود. یکی از کاربردهای مهم این کشف افت خطای محاسبات کوانتومی است.

بر پایه گزارش Phys، محققان دانشگاه کلمبیا حالت کوانتومی را که قبلاً دیده نشده می بود، در یک ماده دوبعدی مشاهده کردند. این حالت‌ها می‌توانند برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی توپولوژیکی سودمند باشند. برخلاف کامپیوترهای کوانتومی جاری که با مواد ابررسانا مستعد تداخل مغناطیسی و اشتباه ساخته خواهد شد، کامپیوترهای کوانتومی توپولوژیکی ارامش زیاد تر و خطاهای کمتری دارند.

تا بحال زیاد تر کوششها برای تشکیل حالت‌های توپولوژیکی به آهنرباهای خارجی نیاز داشته است که علتاختلال در کیوبیت‌های کامپیوترهای کوانتومی می‌بشود. به عبارت دیگر، برای تشکیل حالات کوانتومی توپولوژیکی به یک روش بدون مغناطیسی نیاز داریم.

اکنون محققان می‌گویند بر این مانع تسلط کرده‌اند. آنها با منفعت گیری از یک تکنیک نوری زیاد حساس، حالت‌هایی را کشف کردند که به هیچ میدان مغناطیسی خارجی نیاز ندارند. این حالت‌ها به طور طبیعی در ماده‌ای به نام «دی‌تلورید مولیبدن پیچ‌خورده» (twisted MoTe_۲) ظاهر خواهد شد؛ این ماده دوبعدی موآره است.

کشف حالت‌های تازه کوانتومی

برای آنکه بهتر با دستاورد محققان آشنا شویم، بهتر است ابتدا «تاثییر هال» (Hall effect) را توضیح بدهیم. «ادوین هال»، فیزیکدان آمریکایی، در سال ۱۸۷۹ گفت که چطور الکترون‌ها در امتداد لبه فلزی زمان قرارگرفتن در معرض میدان مغناطیسی جریان می‌یابند: هرچه آهنربا نیرومندتر باشد، اختلاف ولتاژ در فلز نیز نیرومندتر خواهد می بود.

هنگامی که الکترون‌ها در دماهای فوق سرد و فقط در دوبعد در معرض میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند – جایی که اثرات مکانیک کوانتومی قابل مشاهده است – تحول ولتاژ دیگر مشابه با میدان مغناطیسی نیست. ولتاژ به‌جای افزایش خطی، «کوانتیزه» می‌بشود و باتوجه به بار الکترون، جهش ولتاژ به‌صورت مرحله‌ای خواهد می بود.

این مرحله های کوانتومی را می‌توان به مرحله های کوچک‌تر نیز تقسیم کرد؛ حالت‌هایی با بارهایی که کسری از بارهای یک الکترون می باشند راه اندازی خواهد شد: -½، -⅔، -⅓، و غیره. مسئله دلنشین این که برای این کشف، پروفسور بازنشسته دانشگاه کلمبیا، «هورست استورمر»، در سال ۱۹۹۸ جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد.

محققان دهه‌ها است که در جستجوی «تاثییر هال کوانتومی کسری» بوده‌اند و این تاثییر در مواد گوناگون نشان داده شده است. طی این سال‌ها نیز مطالعات روبه‌جلوی بسیاری انجام شده‌اند و پژوهش تازه نیز در ادامه همان‌ها است.

در تاثییر هال کوانتومی کسری، الکترون‌ها در یک ماده به طور جمعی حرکت می‌کنند و شبه‌ذرات خاصی را تشکیل می‌کنند. این ذرات بارهایی دارند که کسری از بار یک الکترون است. حرکت این شبه ذرات شگفت‌و‌غریب به طوری است که نه الکترون‌ها و نه فوتون‌ها انجام خواهند داد. اگرچه این کار غیرقابل فکر به نظر می‌رسد، اما در مکانیک کوانتومی اتفاق می‌افتد. مسئله مهم این است که این اتفاق به میدان‌های مغناطیسی خارجی قوی نیاز دارد که محققان می‌خواستند از آن اجتناب کنند.

محققان دریافتند هنگامی لایه‌های دی‌تلورید مولیبدن پیچ‌ می‌خورند، توپولوژیک خواهد شد. این بدان معناست که الکترون‌های آن‌ها در ترتیبات خاصی قرار می‌گیرند که علتمی‌بشود به کل بزرگ‌تری بپیوندند که می‌تواند به نوبه خود و به شکل غیرمستقیم، به بارهای هال کوانتومی کسری تجزیه بشود. این کار این چنین یک میدان مغناطیسی داخلی تشکیل می‌کند. بدین ترتیب نیاز به آهنربای خارجی نیز رفع می‌بشود.

یافته‌های این پژوهش در نیچر انتشار شده است.