پیشرفت محاسباتی کوانتومی: ذرات کوانتومی عجیب و غریب – میدان مغناطیسی کمتری مورد نیاز است
ذرات کوانتومی و پدیده های عجیب و غریب مانند جسورترین ورزشکاران نخبه جهان هستند. مانند کوهنوردان انفرادی آزاد که از صخره‌های شیب‌دار غیرممکن بدون طناب یا مهار بالا می‌روند، فقط شدیدترین شرایط آنها را ترغیب می‌کند تا ظاهر شوند. برای پدیده‌های عجیب و غریب مانند ابررسانایی یا ذراتی که کسری از بار یک الکترون را حمل می‌کنند، به معنای دمای بسیار پایین یا میدان‌های مغناطیسی بسیار بالا است.
اما اگر بتوانید این ذرات و پدیده‌ها را تحت شرایط کمتر شدید نشان دهید، چه می‌شود؟ در مورد پتانسیل ابررسانایی دمای اتاق اطلاعات زیادی صورت گرفته است، اما تولید ذرات باردار کسری عجیب و غریب در میدان مغناطیسی کم تا صفر برای آینده مواد و کاربردهای کوانتومی، از جمله انواع جدید محاسبات کوانتومی، به همان اندازه مهم است.
اکنون، تیمی از محققان دانشگاه هاروارد به سرپرستی امیر یاکوبی، استاد فیزیک و فیزیک کاربردی در دانشکده مهندسی و علوم کاربردی هاروارد جان آ. پاولسون SEAS و آشوین ویشوانات، استاد فیزیک در گروه فیزیک، با همکاری Pablo Jarillo-Herrero در موسسه فناوری ماساچوست، برای اولین بار حالات کسری عجیب و غریب را در میدان مغناطیسی کم در گرافن دولایه پیچ خورده مشاهده کردند.
این تحقیق در Nature منتشر شده است.
یاکوبی، نویسنده ارشد این مطالعه گفت: «یکی از جام‌های مقدس در زمینه فیزیک ماده متراکم، دریافت ذرات عجیب و غریب با میدان مغناطیسی کم تا صفر است». پیش‌بینی‌های نظری مبنی بر اینکه ما باید بتوانیم این ذرات عجیب و غریب را با میدان مغناطیسی کم تا صفر ببینیم وجود داشته است، اما تاکنون هیچ‌کس قادر به مشاهده آن نبوده است.»
محققان به یک حالت کوانتومی عجیب و غریب به نام عایق‌های کسری Chern علاقه‌مند شدند. عایق‌های Chern عایق‌های توپولوژیکی هستند، به این معنی که جریان الکتریکی را روی سطح یا لبه خود هدایت می‌کنند، اما نه در وسط
در یک عایق کسری Chern، برهمکنش های الکترون چیزی را تشکیل می دهند که به عنوان شبه ذرات شناخته می شود، ذره ای که از برهم کنش های پیچیده بین تعداد زیادی از ذرات دیگر پدیدار می شود. برای مثال، صدا را می توان به عنوان یک شبه ذره توصیف کرد، زیرا از برهم کنش های پیچیده ذرات در یک ماده پدید می آید. مانند ذرات بنیادی، شبه ذرات نیز دارای ویژگی های مشخصی مانند جرم و بار هستند.
در عایق‌های کسری Chern، برهم‌کنش‌های الکترون در داخل ماده به قدری قوی است که شبه ذرات مجبور به حمل کسری از بار الکترون‌های معمولی می‌شوند. این ذرات کسری دارای ویژگی‌های کوانتومی عجیبی هستند که می‌توانند برای ایجاد بیت‌های کوانتومی قوی که در برابر تداخل خارجی بسیار انعطاف‌پذیر هستند، استفاده شوند.
برای ساخت عایق خود، محققان از دو ورقه گرافن استفاده کردند که به اصطلاح با زاویه جادویی به هم پیچ خورده بودند. چرخش ویژگی‌های جدید و متفاوتی را در گرافن باز می‌کند، از جمله ابررسانایی، همانطور که برای اولین بار توسط گروه Jarillo-Herrero در MIT کشف شد، و حالت‌هایی که به عنوان نوارهای Chern شناخته می‌شوند، که پتانسیل بالایی برای ایجاد حالت‌های کوانتومی کسری دارند، همانطور که از نظر تئوری توسط گروه ویشوانات در هاروارد نشان داده شده است.
به این نوارهای Chern مانند سطل هایی هستند که فکر کنید با الکترون ها پر می شوند.
اندرو تی پیرس، دانشجوی فارغ التحصیل در گروه یاکوبی و همکار اول، گفت: «در مطالعات قبلی، برای تولید این سطل‌ها به یک میدان مغناطیسی بزرگ نیاز داشتید، که بلوک‌های سازنده توپولوژیکی هستند که برای به دست آوردن این ذرات کسری عجیب و غریب نیاز دارید. نویسنده مقاله اما گرافن دولایه تابشی با زاویه جادویی این واحدهای توپولوژیکی مفید را در میدان مغناطیسی صفر ساخته است.
برای ایجاد حالت‌های کسری، محققان باید سطل‌ها را تا کسری از مسیر با الکترون پر کنند. اما مشکل اینجاست: برای این که این کار انجام شود، تمام الکترون‌های یک سطل باید تقریباً دارای ویژگی‌های یکسانی باشند. در گرافن دولایه پیچ خورده، اینطور نیست. در این سیستم، الکترون‌ها دارای سطوح مختلفی از خاصیت به نام انحنای بری هستند که باعث می‌شود هر الکترون یک میدان مغناطیسی مرتبط با تکانه خاص خود را تجربه کند. (این پیچیده تر از این است، اما چه چیزی در فیزیک کوانتومی وجود ندارد؟)
هنگام پر کردن سطل‌ها، انحنای بری الکترون‌ها باید یکنواخت شود تا حالت عایق کسری چرن ظاهر شود.
اینجاست که یک میدان مغناطیسی کوچک اعمال شده وارد می شود.
یونگ لانگ ژی، دانشجوی فوق دکترا در SEAS و همکار، گفت: ما نشان دادیم که می‌توانیم یک میدان مغناطیسی بسیار کوچک برای توزیع یکنواخت انحنای بری در بین الکترون‌های سیستم اعمال کنیم و به ما این امکان را می‌دهد تا یک عایق Chern کسری را در گرافن دولایه پیچ خورده مشاهده کنیم. اولین نویسنده مقاله این تحقیق اهمیت انحنای بری را برای درک حالت های عجیب و غریب تکه تکه شده روشن می کند و می تواند به پلت فرم های جایگزینی اشاره کند که در آنها انحنای بری به اندازه گرافن پیچ خورده ناهمگن نیست.
ویشوانات، نویسنده ارشد این مطالعه گفت: گرافن دولایه پیچ خورده موهبتی است که همچنان ادامه می‌دهد و این کشف عایق‌های کسری Chern مسلماً یکی از مهم‌ترین پیشرفت‌ها در این زمینه است. "تعجب آور است که فکر کنیم این ماده شگفت انگیز در نهایت از همان موادی ساخته شده است که نوک مداد شما ساخته شده است. ”
Jarillo-Herrero، استاد فیزیک سیسیل و آیدا گرین در MIT و نویسنده ارشد این مطالعه گفت: "کشف عایق های Chern کسری با میدان مغناطیسی پایین در گرافن دولایه پیچ خورده با زاویه جادویی، فصل جدیدی را در زمینه ماده کوانتومی توپولوژیکی باز می کند.”. "این چشم انداز واقع بینانه از جفت شدن این حالت های عجیب و غریب با ابررسانایی را ارائه می دهد، که احتمالاً ایجاد و کنترل شبه ذرات توپولوژیکی عجیب و غریب تری را که به نام هرییون شناخته می شوند، امکان پذیر می کند."