پیشرفت کوانتومی چین: نمایش بی‌سابقه ابرسیالیت ضد جریان

محققان آکادمی علوم چین برای اولین بار ابرسیالیت ضد جریان (CSF) را به صورت تجربی نشان دادند.

کد خبر: ۱۲۱۷۶۵۴

يکشنبه - ۳۰ دی ۱۴۰۳ / January 19, 2025

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، محققان آکادمی علوم چین برای اولین بار ابرسیالیت ضد جریان (CSF) را به صورت تجربی نشان دادند.

این یک حالت کوانتومی عجیب و غریب است که در آن دو جزء (به عنوان مثال، انواع مختلف اتم‌ها یا اسپین ها) در جهت مخالف با همبستگی کامل جریان دارند. علیرغم اینکه هر دو جزء فوق سیال هستند، سیستم به عنوان یک کل ثابت و تراکم ناپذیر باقی می‌ماند.

به گفته محققان، CSF ابزار مهمی برای مطالعه و شبیه سازی سیستم‌های کوانتومی پیچیده در محیط‌های فوق سرد، به ویژه برای کاوش در فاز‌های کوانتومی جدید و پدیده‌های مرتبط با اسپین خواهد بود.

آوردن CSF از تئوری به واقعیت

ابرسیالیت ضد جریان مفهوم جدیدی نیست. دانشمندان در دو دهه گذشته از این فاز کوانتومی اطلاع داشتند. این در واقع بسط یافته‌های مدل بوز-هابارد است، یک مدل نظری که در سال ۱۹۶۳ برای توضیح رفتار بوزون‌ها در یک سیستم شبکه پیشنهاد شد.

برخی از مدل‌های ریاضی دیگر نیز CSF را تئوری می‌کنند، اما تاکنون دانشمندان به دلیل چندین چالش فنی نمی‌توانستند این مرحله را در یک مجموعه آزمایشی مشاهده کنند.

نویسندگان مطالعه توضیح می‌دهند: «تحقق و شناسایی این فاز به‌طور تجربی به دلیل الزامات سخت‌گیرانه برای یک راه‌اندازی منفرد، از جمله آماده‌سازی حالت بدون نقص، حداقل حرارت دهی در حین دستکاری‌های منسجم، و تشخیص فاز‌ها توسط چرخش و مکان، چالش‌برانگیز بوده است»..

برای دستیابی به فاز مخفی CSF، محققان یک سیستم دو جزئی با استفاده از اتم‌های فوق سرد روبیدیم -۸۷ با دو حالت اسپین متفاوت تهیه کردند. سپس اتم‌ها در شبکه‌ای از نور لیزر قرار گرفتند که اتم‌ها را در موقعیت‌های خاصی به دام انداخت.

این منجر به تشکیل یک عایق اسپین موت شد، ماده‌ای جذاب که در تئوری قرار است الکتریسیته را رسانا کند، اما در واقعیت اینطور نیست. این به این دلیل است که برهمکنش‌های قوی بین اسپین‌های ذرات آن باعث می‌شود که آنها موضعی شوند و از حرکت آزادانه الکترون‌ها جلوگیری کنند.

با تنظیم برهمکنش بین اتم‌ها در این سیستم در دمای یک نانوکلوین (۲۷۳.۱۵- درجه سانتیگراد یا -۴۵۹.۶۷ درجه فارنهایت)، محققان از حالت یخ زده (عایق اسپین موت) به حالتی که دو نوع اتم در آن جریان دارند تغییر مکان دادند. جهات مخالف در حالی که کاملاً متعادل باقی می‌مانند، که ابرسیالیت جریان مخالف را نشان می‌دهد.

تأیید ابرسیالیت جریان مخالف

برای تأیید اینکه آیا سیستم واقعاً وارد فاز CSF شده است یا خیر، نویسندگان مطالعه از یک میکروسکوپ گاز کوانتومی استفاده کردند - یک ابزار تصویربرداری بسیار پیشرفته که به دانشمندان اجازه می‌دهد اتم‌های منفرد را در یک شبکه مشاهده کنند.

آنها همبستگی بین موقعیت‌های مختلف (و اسپین‌های) اتم‌ها را اندازه‌گیری کردند و همبستگی‌های ضد جفت، یعنی وجود اتم‌ها در حالت‌های مخالف را یافتند.

نویسندگان مطالعه خاطرنشان کردند: «همبستگی‌های ضد جفت، مشخصه CSF، با اندازه‌گیری‌ها در فضا‌های واقعی و تکانه زیر میکروسکوپ گاز کوانتومی تأیید شد».

این مشاهدات تأیید می‌کند که وقتی یک اتم در یک جهت حرکت می‌کند، اتم دیگری در حالت اسپین مخالف در جهت مخالف حرکت می‌کند. به‌علاوه، محققان همبستگی‌های دوربرد را در حالت‌های اسپین مشاهده کردند، با حفظ انسجام در کل شبکه که یکی دیگر از شاخص‌های قوی فاز CSF است.

کشف ابر سیال در سال ۱۹۳۰ منجر به توسعه بسیاری از فن آوری‌های هیجان انگیز کم سرما، مانند خنک کننده لیزری شد. امیدواریم CSF راه را برای بسیاری از کاربرد‌های کوانتومی پیشگامانه هموار کند.