فیزیکدانان مکانیک کوانتومی و نسبیت را به رام کردن الکترون‌های در حال چرخش نزدیک‌تر می‌کنند
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، بیش از یک قرن است که دانشمندان یک حقیقت ناخوشایند را پذیرفته‌اند. مکانیک کوانتومی و نسبیت، دو مورد از موفق‌ترین نظریه‌ها در فیزیک، با هم سازگار نیستند. این تضاد زمانی آشکارتر می‌شود که دانشمندان سعی می‌کنند نحوه رفتار الکترون‌ها در جامدات را درک کنند.
در حالی که مکانیک کوانتومی رفتار الکترون‌ها در مقیاس کوچک و با انرژی کم را توضیح می‌دهد، نسبیت زمانی اهمیت پیدا می‌کند که همین الکترون‌ها به اندازه کافی سریع حرکت کنند تا اثرات عجیبی مانند جفت شدن اسپین-مدار ظاهر شود. این جفت شدن، که در آن اسپین الکترون و حرکت آن به هم مرتبط می‌شوند، کلید طراحی مواد الکترونیکی و مغناطیسی مبتنی بر اسپین است.
با این حال، در داخل یک کریستال، مدل‌سازی دقیق جفت شدن اسپین-مدار بسیار دشوار بوده است، زیرا ابزار‌های سنتی که فیزیکدانان از آنها استفاده می‌کنند، شروع به از کار افتادن می‌کنند. به طور خاص، عملگر تکانه زاویه‌ای مداری، که برای توصیف نحوه چرخش الکترون‌ها استفاده می‌شود، هنگام اعمال به جامدات، جایی که اتم‌ها در الگو‌های تکراری و بدون تقارن چرخشی کامل چیده شده‌اند، به خوبی کار نمی‌کند.
اکنون، تیمی از محققان روش جدیدی را معرفی کرده‌اند که ممکن است سرانجام این دو نظریه را با هم هماهنگ کند. کار آنها راه را برای شبیه‌سازی‌های قابل اعتمادتر اسپین الکترون هموار می‌کند و به مهندسان کمک می‌کند تا دستگاه‌های اسپینترونیک و کوانتومی بهتری بسازند.
بازاندیشی در مورد اسپین در جامدات بدون در نظر گرفتن تکانه زاویه‌ای مداری
محققان بدون استفاده از ابزار پیچیده و غیرقابل اعتمادی به نام عملگر تکانه زاویه‌ای مداری که معمولاً در کریستال‌ها مشکل ایجاد می‌کند، روش جدیدی برای توصیف چگونگی برهمکنش اسپین الکترون با ماده‌ای که از آن عبور می‌کند، ارائه دادند. در عوض، آنها ایده جدیدی به نام برهمکنش اسپین-شبکه نسبیتی را معرفی کردند. این اساساً به این معنی است که آنها با استفاده از اصول نظریه نسبیت انیشتین.
بر چگونگی واکنش اسپین الکترون به ساختار خود جامد تمرکز کردند.
روش آنها به راحتی با روش استاندارد دانشمندان برای توصیف الکترون‌ها در کریستال‌ها کار می‌کند و الگوی تکرارشونده اتم‌ها در یک جامد را در نظر می‌گیرد، که روش‌های قدیمی‌تر اغلب نادیده می‌گرفتند.
برای بررسی اینکه آیا ایده آنها کار می‌کند، آنها آن را روی سه نوع ماده مختلف، از جمله یک نیمه‌رسانای سه‌بعدی (گالیوم آرسنید)، یک عایق دوبعدی (نیترید بور شش‌ضلعی) و یک رسانای یک‌بعدی (مانند زنجیره‌هایی از اتم‌های پلاتین یا سلنیوم) آزمایش کردند.
در تمام این موارد، روش جدید نتایج بهتر و دقیق‌تری را در پیش‌بینی رفتار اسپین ارائه داد و اثرات شناخته‌شده‌ای مانند اثر ادلشتاین و اثر اسپین هال را بازتولید کرد. نویسندگان این مطالعه گفتند: «ما نشان می‌دهیم که این روش در مقایسه با فرمول‌بندی‌های مرسوم تکانه زاویه‌ای مداری، توصیف مؤثرتری از اثرات ادلشتاین و اسپین هال ارائه می‌دهد.»
اثر ادلشتاین و اثر اسپین هال از اهمیت بالایی برخوردارند، زیرا نشان می‌دهند که چگونه می‌توان اسپین یک الکترون را کنترل کرد یا از آن برای ایجاد جریان‌های اسپینی استفاده کرد. با پیش‌بینی دقیق این اثرات، روش جدید ثابت می‌کند که می‌تواند رفتار اسپینی دنیای واقعی در مواد را بهتر مدل‌سازی کند، چیزی که نظریه‌های قدیمی‌تر با آن مشکل داشتند.
علاوه بر این، این چارچوب از مقادیر نامشخص اجتناب می‌کند و به خوبی با تکنیک‌های شبیه‌سازی موجود مطابقت دارد و بنابراین، می‌تواند به راحتی در تحقیقات محاسباتی مداوم در فیزیک حالت جامد ادغام شود. نویسندگان این مطالعه افزودند: «رویکرد ما کاملاً با چارچوب‌های محاسباتی اصول اولیه موجود برای نظریه تابعی چگالی ایستا و وابسته به زمان سازگار است.»
اهمیت چارچوب جایگزین
این مدل جدید پتانسیل تغییر شکل نحوه درک و پیش‌بینی رفتار مرتبط با اسپین در مواد توسط دانشمندان را دارد، که گامی اساسی برای پیشرفت اسپینترونیک است، فناوری‌ای که از اسپین الکترون‌ها به جای بار آنها برای پردازش و ذخیره اطلاعات استفاده می‌کند.
برخلاف کاربرد‌های الکترونیکی مبتنی بر بار، اسپینترونیک نوید سرعت‌های بالاتر و مصرف انرژی کمتر را می‌دهد. با این حال، توسعه آنها به دلیل شکاف‌های موجود در درک نظری محدود شده است.
با یک روش تمیزتر و عمومی‌تر برای توصیف برهمکنش‌های اسپین-شبکه، محققان اکنون ممکن است بتوانند دستگاه‌های حافظه، حسگر‌ها و حتی بلوک‌های سازنده کارآمدتری را برای محاسبات کوانتومی طراحی کنند.
با این حال، این نظریه در مراحل اولیه باقی مانده است. این نظریه نیاز به اعتبارسنجی بیشتر در مواد پیچیده‌تر و تنظیمات تجربی دارد. تیم تحقیقاتی در حال حاضر در حال برنامه‌ریزی برای بررسی چگونگی کاربرد مدل خود در مواد توپولوژیکی و سایر سیستم‌های کوانتومی عجیب و غریب است که در آنها اثرات اسپین و نسبیتی نقش تعیین‌کننده‌ای دارند.
در صورت موفقیت، رویکرد آنها می‌تواند به ابزاری اساسی تبدیل شود و در نهایت شکاف بین دو حوزه اصلی فیزیک را از بین ببرد و نسل بعدی فناوری‌های مبتنی بر کوانتومی و اسپین را ممکن سازد.
این مطالعه در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.