فیزیکدانان به کشف شبه‌ذرات غیرمعمول نزدیک‌تر شده‌اند

به گزارش مجله خبری نگار، دانشمندان یک مدل کوانتومی از یک جامد را توسعه داده‌اند که شواهدی از وجود فراکتون‌ها - شبه‌ذرات غیرمعمولی که عملاً قادر به حرکت انفرادی نیستند - را آشکار می‌کند. اعتقاد بر این است که این ویژگی می‌تواند در آینده برای ذخیره مطمئن‌تر اطلاعات کوانتومی مورد استفاده قرار گیرد. این مطالعه توسط یک تیم بین‌المللی از فیزیکدانان در Nature Communications منتشر شده است. ایزوستیا در مورد اینکه فراکتون‌ها چیستند، چرا هنوز در مایعات اسپین کوانتومی شناسایی نشده‌اند و محاسبات جدید چه چیزی را آشکار کرده‌اند، گزارش می‌دهد.

فراکتون‌ها چیستند؟

یک فراکتون را نمی‌توان یک ذره بنیادی جدید مانند الکترون یا فوتون در نظر گرفت. این یک شبه‌ذره است، یعنی یک برانگیختگی جمعی که از رفتار هماهنگ بسیاری از ذرات برهمکنش‌کننده در ماده ناشی می‌شود.

چنین اجسامی فقط در یک محیط خاص وجود دارند. برای مثال، فیزیکدانان ارتعاشات اتم‌ها را در یک شبکه کریستالی به عنوان شبه‌ذرات - فونون‌ها - توصیف می‌کنند. آنها قادر به انتقال انرژی در داخل یک ماده هستند، اگرچه فونون‌های منفرد در خارج از آن وجود ندارند.

فراکتون‌ها طبق یک اصل مشابه بوجود می‌آیند، اما با تحرک بسیار محدود مشخص می‌شوند. در حالی که یک تحریک معمولی می‌تواند بین بخش‌های مجاور یک سیستم حرکت کند، یک فراکتون واحد عملاً بی‌حرکت است. برای حرکت دادن آن، موقعیت سایر فراکتون‌ها باید همزمان تغییر کند.

در برخی موارد، جفت‌های مقید چنین برانگیختگی‌هایی می‌توانند حرکت کنند، اما فقط در یک جهت خاص. به گروه‌های پیچیده‌تر، آزادی حرکت بیشتری داده می‌شود. بنابراین، تحرک نه تنها به خواص خود شبه‌ذره، بلکه به سایر برانگیختگی‌هایی که به آنها مقید است نیز بستگی دارد.

چرا فرکتون‌ها به سختی حرکت می‌کنند؟

بی‌حرکتی فرکتون‌ها به دلیل مانع فیزیکی درون ماده نیست، بلکه به دلیل قوانین پایستگی است که درون سیستم عمل می‌کنند. در یک سیستم فیزیکی متعارف، حرکت یک ذره باید بار آن را حفظ کند. در نظریه‌هایی که فرکتون‌ها را توصیف می‌کنند، گشتاور دوقطبی - پارامتری که توزیع بار در فضا را توضیح می‌دهد - نیز پایسته است. حرکت مستقل یک فرکتون واحد، این توزیع را تغییر می‌دهد و قانون تثبیت‌شده را نقض می‌کند.

بنابراین، یک تحریک واحد در جای خود باقی می‌ماند. حرکت تنها زمانی امکان‌پذیر می‌شود که چندین فراکتون به طور هماهنگ موقعیت خود را تغییر دهند و گشتاور دوقطبی کلی سیستم حفظ شود.

دانشمندان خروج یک سیاهچاله فوق عظیم از یک کهکشان را توضیح می‌دهند.

این رفتار با استفاده از نظریه‌های پیمانه‌ای مرتبه ۲ از نوع U (۱) توصیف می‌شود. یک رویکرد ریاضی مشابه در الکترودینامیک استفاده می‌شود، اما در مورد فرکتون‌ها، میدان ساختار پیچیده‌تری دارد. این امر محدودیت‌های اضافی ایجاد می‌کند و مانع از حرکت آزادانه تحریکات منفرد می‌شود.

پیش از این، حالت‌های فرکتون را می‌توان عمدتاً با استفاده از چنین نظریه‌های انتزاعی توصیف کرد. چالش اصلی، تبدیل قوانین آنها به یک مدل به اندازه کافی ساده از اسپین‌های برهمکنش‌کننده بود که به طور بالقوه می‌توانست به صورت تجربی بازتولید شود.

مایع اسپین کوانتومی چیست؟

مایعات اسپین کوانتومی یکی از محیط‌های ممکن برای وجود فرکتون‌ها در نظر گرفته می‌شوند. برخلاف نامشان، این یک مایع به معنای مرسوم نیست، بلکه یک حالت مغناطیسی خاص از یک جامد است.

اسپین یک ویژگی کوانتومی یک ذره است که به گشتاور مغناطیسی آن مربوط می‌شود. در یک آهنربای معمولی، وقتی سرد می‌شود، اسپین‌ها به شکلی خاص همسو می‌شوند و یک ساختار پایدار تشکیل می‌دهند.

برانگیختگی‌های جمعی با خواص غیرمعمول می‌توانند در چنین سیستمی ایجاد شوند. در مایعات اسپین کوانتومی مرسوم، شبه‌ذرات قادر به حرکت در ماده هستند. در فاز فرکتون، حرکت آنها بیشتر محدود می‌شود.

دانشمندان چه مدلی را ایجاد کردند؟

نویسندگان این مطالعه جدید، یک شبکه مربعی دوبعدی را در نظر گرفتند که گره‌های آن با متغیر‌های کوانتومی با اسپین ۱ مطابقت دارند. این بدان معناست که هر عنصر از مدل می‌تواند در یکی از سه حالت وجود داشته باشد که به طور قراردادی به صورت -۱، ۰ و +۱ تعیین می‌شوند. یک الگوی برهمکنش ویژه بین اسپین‌ها تعریف شد که قوانین نظریه پیمانه‌ای مرتبه ۲ را بازتولید می‌کند. سپس دانشمندان رفتار سیستم را با استفاده از شبیه‌سازی مونت کارلو بر اساس تابع گرین محاسبه کردند.

از آن برای مطالعه سیستم‌های کوانتومی پیچیده استفاده می‌شود که در آنها شمارش مستقیم تمام پیکربندی‌های ممکن غیرممکن است. تعداد این گونه‌ها با هر عنصر شبکه جدید به سرعت افزایش می‌یابد، بنابراین محققان از محاسبات احتمالاتی استفاده می‌کنند و به تدریج به پایین‌ترین حالت انرژی سیستم نزدیک می‌شوند.

دانشمندان توجه ویژه‌ای به تأثیر اثرات کوانتومی داشتند. مدل‌های قبلی یک مشکل داشتند: وقتی برهمکنش‌های کوانتومی خیلی ضعیف بودند، فرکتون‌ها حفظ می‌شدند، اما اساساً اشیاء کلاسیک باقی می‌ماندند. با تشدید این اثرات، فاز مورد نظر از بین می‌رفت یا جای خود را به نظم مغناطیسی معمولی می‌داد.

استفاده از اسپین ۱ به هر جایگاه شبکه در مقایسه با مدل اسپین ۱/۲ یک حالت اضافی داد. در نتیجه، سیستم راه‌های ممکن بیشتری برای بازآرایی خود بدون نقض محدودیت‌های حاکم بر وجود فراکتون‌ها به دست آورد.

محاسبات نشان داد که برای نسبت مشخصی از پارامترها، مدل نظم مغناطیسی معمول را تشکیل نمی‌دهد. در عوض، یک فاز کوانتومی با خواصی مطابق با مایع اسپین فرکتون پدیدار می‌شود.

از آنجا که این مطالعه به کمک کامپیوتر انجام شد، دانشمندان شبه‌ذرات منفرد را مستقیماً مشاهده نکردند. آنها به دنبال نشانه‌های مشخصی بودند که در پاسخ مغناطیسی سیستم پس از ظهور فاز فرکتون ظاهر می‌شوند.

یکی از این شاخص‌ها، عامل ساختار مغناطیسی است. این عامل نشان می‌دهد که چگونه حالت‌های اسپینی در بخش‌های مختلف شبکه به یکدیگر مرتبط هستند. نتیجه معمولاً به صورت نقشه‌ای در فضای تکانه نمایش داده می‌شود، جایی که انواع مختلف رفتار مغناطیسی الگو‌های مشخصی را ایجاد می‌کنند.

الگوی محاسبه‌شده، نقاط فشرده‌سازیِ سرکوب‌شده را آشکار کرد. اینها عناصر ویژه‌ای از توزیع همبستگی مغناطیسی هستند که توسط نظریه پیمانه‌ای مرتبه ۲ پیش‌بینی شده است. شکل آنها عملاً با الگوی نظری مورد انتظار برای یک مایع اسپین کوانتومی فرکتون مطابقت داشت.

نشانه دیگر، ظهور برانگیختگی‌های جمعی بدون شکاف بود که نویسندگان آن را فوتون‌های نوظهور می‌نامند. اینها ذرات نور نیستند و تابش الکترومغناطیسی معمولی را نشان نمی‌دهند.

چنین «فوتون‌هایی» فقط در یک سیستم کوانتومی و در نتیجه رفتار جمعی اسپین‌ها ایجاد می‌شوند. خواص آنها توسط معادلاتی مشابه با معادلات مورد استفاده برای فوتون‌های معمولی توصیف می‌شود. در مدل جدید، آنها در دو بعد فضایی و زمانی وجود دارند که محققان را به صحبت در مورد فضازمان ۲+۱ سوق می‌دهد. دانشمندان نشانه‌هایی از فاز فرکتون را نه تنها در حالت پایه سیستم با حداقل انرژی، بلکه در تعدادی از حالت‌های کم‌انرژی نزدیک نیز کشف کردند. این نشان می‌دهد که نتیجه به یک پیکربندی واحد و خاص قابل تقلیل نیست.

چرا فرکتون‌ها برای فناوری‌های کوانتومی مورد نیاز هستند؟

سیستم‌های کوانتومی مدرن به شدت به تأثیرات خارجی حساس هستند. گرما، نویز الکترومغناطیسی و تجهیزات ناقص می‌توانند وضعیت یک کیوبیت را تغییر دهند و منجر به از دست رفتن اطلاعات ذخیره شده شوند.

در بسیاری از سیستم‌ها، یک اختلال موضعی، برانگیختگی‌ای ایجاد می‌کند که می‌تواند آزادانه حرکت کند و خطا را به مناطق همسایه منتقل کند. با فراکتون‌ها، این کار دشوارتر است: یک برانگیختگی واحد ثابت می‌ماند و حرکت آن مستلزم تغییر هماهنگ چندین عنصر به طور همزمان است.

از لحاظ تئوری، چنین تحرک محدودی می‌تواند مانع انتشار خطا‌های خاص شود و اطلاعات کوانتومی را قوی‌تر کند. به همین دلیل، سیستم‌های فرکتون به عنوان یک رویکرد ممکن برای ایجاد حافظه کوانتومی در نظر گرفته می‌شوند.

با این حال، کاربرد‌های عملی همچنان در حد فرضیه باقی مانده‌اند. در مطالعه جدید، دانشمندان دستگاه ذخیره‌سازی داده نساختند، داده‌ها را ثبت نکردند یا زمان نگهداری آنها را اندازه‌گیری نکردند. این کار بر وجود خود فاز کوانتومی تمرکز دارد که خواص آن می‌تواند به طور بالقوه زیربنای فناوری‌های مرتبط در آینده باشد.

حتی پس از شناسایی تجربی فرکتون‌ها، محققان هنوز باید یاد بگیرند که چگونه آنها را کنترل کنند، اطلاعات را ثبت و بخوانند و آزمایش کنند که آیا تحرک محدود واقعاً در شرایط دنیای واقعی محافظت ایجاد می‌کند یا خیر.

چه زمانی می‌توان فراکتون‌ها را در یک آزمایش شناسایی کرد؟

فرکتون‌ها، که به‌طور خاص برای مایعات اسپین کوانتومی پیش‌بینی شده‌اند، هنوز به‌طور مستقیم به‌صورت تجربی مشاهده نشده‌اند. سیستم توسعه‌یافته توسط نویسندگان نیز یک مدل نظری است، نه یک ماده آماده. وظیفه بعدی ایجاد یک پلتفرم فیزیکی است که قادر به بازتولید الگوی برهمکنش مطلوب بین اسپین‌ها باشد.

اتم ریدبرگ اتمی است که یکی از الکترون‌های آن به سطح انرژی بالایی ارتقا یافته است. چنین اتم‌هایی برهمکنش‌های قوی از خود نشان می‌دهند و حالت‌های آنها را می‌توان با استفاده از لیزر کنترل کرد.

با چیدمان اتم‌های ریدبرگ در یک الگوی از پیش تعیین‌شده، محققان شبکه‌های قابل برنامه‌ریزی ایجاد می‌کنند و فرآیند‌هایی را که در مواد کوانتومی پیچیده درون آنها رخ می‌دهد، شبیه‌سازی می‌کنند. این امر به آنها اجازه می‌دهد تا مدل‌های نظری را آزمایش کنند، حتی اگر یک ماده طبیعی مناسب هنوز ناشناخته باشد.

برای یافتن فاز فرکتون، لازم است هندسه برهمکنش مورد نیاز بازتولید شود، سیستم در حالت انرژی پایین آماده شود و همبستگی بین عناصر آن اندازه‌گیری شود. تطابق بین داده‌های به‌دست‌آمده و محاسبات، پیاده‌سازی تجربی یک مایع اسپین کوانتومی فرکتون را پشتیبانی می‌کند.