اخبار کوانتومی – تبدیل نور لیزر به یک ابر جامد برای اولین بار
عنوان خبر: تبدیل نور لیزر به یک ابر جامد برای اولین بار
ژانر/موضوع: محاسبات کوانتومی، فوتونیک کوانتومی، مواد کوانتومی
تاریخ انتشار خبر: 7 مارس 2025
لینک خبر: newsweek.com
چکیده:
دانشمندان موفق شده‌اند یک ابرجامد فوتونیکی ایجاد کنند که در آن نور مانند یک جامد رفتار میکند اما بدون اصطکاک جریان می‌یابد، که یک پیشرفت بزرگ در درک این فاز عجیب ماده است. با استفاده از یک بستر نیمه‌هادی آلومینیوم گالیوم آرسنید، محققان نور لیزر را به فوتون‌ها تاباندند که در ابتدا به‌طور ناهمدوسی رفتار میکنند، اما زمانی که به آستانه‌ای خاص میرسند، یک چگالش بوز-اینشتین ایجاد میکنند. با افزودن فوتون‌های بیشتر، آنها به حالت‌های کوانتومی مجاور منتقل شده و چگالش‌های ماهواره‌ای تشکیل میدهند و مدولاسیون چگالی فضایی ایجاد میکنند که ویژگی فاز ابرجامد است. این آزمایش از اکسایتون-پلاریتون ها در یک موجبر فوتونیک-کریستال توپولوژیکی با تلفات انرژی کم استفاده میکند و بینش مستقیمی در مورد همدوسی محلی و دینامیک فونون‌ها ارائه میدهد. این کشف، مطالعه ابرجامدها را فراتر از سیستم‌های اتمی گسترش میدهد و کاربردهایی در فوتونیک و محاسبات کوانتومی دارد.
شرح کامل خبر:
در یک دستاورد بی‌سابقه، دانشمندان موفق شده‌اند نور را به گونه‌ای به رفتار ابرجامد تبدیل کنند که این گامی مهم در درک این فاز عجیب ماده است. سوپرجامدها یا ابرجامدها فازهای منحصر به فردی هستند که در آنها ماده ساختار منظم یک جامد را حفظ میکند اما ویژگی جریان بدون اصطکاک مشابه یک سوپرسیال را نشان میدهد. پیش از این، سوپرجامدها تنها در سیستم‌های اتمی فوق سرد مانند چگالش بوز-اینشتین (BECs) مشاهده شده بودند، اما این کشف جدید این پدیده را به فوتون‌ها، ذرات بنیادی نور، گسترش میدهد.
تحقیقات انجام شده توسط Antonio Gianfate و Davide Nigro، بر ایجاد یک سوپرجامد فوتونی با استفاده از یک بستر نیمه‌هادی ساخته شده از آلومینیوم گالیوم آرسنید متمرکز است، ماده‌ای که در آن فوتون‌ها می‌توانند به صورت مشابه الکترون‌ها هدایت شوند. در این آزمایش، نور لیزر به این بستر تابانده می‌شود که باعث می‌شود فوتون‌ها یکی از سه حالت کوانتومی متمایز با انرژی یکسان اما با اعداد موج مختلف را اشغال کنند. در ابتدا، فوتون‌های موجود در سیستم ناهمدوس هستند، اما پس از عبور از آستانه‌ای خاص، آنها به یک چگالش واحد تبدیل می‌شوند که یک گام کلیدی در تشکیل چگالش بوز-اینشتین (BEC) است. این وضعیت شبیه به یک سالن پر از تماشاگر است که در آن ذرات (مانند بوزون‌ها) “برای اشغال بهترین وضعیت” یا در این مثال “صندلی مرکزی در سالن” رقابت میکنند و در دماهای بسیار پایین یک وضعیت منسجم یا همدوس ایجاد می‌شود.
با اضافه شدن فوتون‌های بیشتر، سیستم دچار انتقال می‌شود. برخی از فوتون‌ها برای کاهش انرژی کل سیستم به حالت‌های کوانتومی مجاور “حرکت میکنند” و چگالش‌های ماهواره‌ای (satellite condensates) تشکیل میدهند. این چگالش‌ها، اگرچه هم انرژی هستند، اما دارای اعداد موج متفاوتی هستند و منجر به ظهور یک مدولاسیون چگالی فضایی در سیستم می‌شوند که مشخصه فاز ابرجامد است.
کار محققان بر اساس دهه‌ها حدس‌های نظری و کارهای تجربی قبلی است، از جمله مطالعات پیشین در مورد سوپرجامدها در سیستم‌های اتمی. با این حال، این رویکرد جدید از اکسایتون-پلاریتون ها – شبه ذرات تشکیل شده از جفت شدن فوتون ها و اکسیتون ها در یک نیمه رسانا – به همراه حالت های توپولوژیکی غیر معمول در یک موجبر بلور فوتونیک استفاده می کند. این محیط، با تلفات انرژی بسیار کم خود، ایجاد یک فاز فوق جامد را امکان پذیر می کند که شکست تقارن انتقالی را نشان می دهد. مدولاسیون مشاهده‌شده در چگالی پلاریتونیک با دقت چند قسمت در هزار، وجود این فاز سوپرجامد را بیشتر تایید میکند.
مهم‌تر از همه، این مطالعه همدوسی محلی و دینامیک سوپرجامد را بررسی کرده و درک عمیق‌تری از این‌که چگونه سیستم‌های مبتنی بر فوتون می‌توانند دینامیک‌هایی مشابه فونون‌ها و برانگیختگی‌های چندحالتی (multimodal excitations) را میزبان باشند، ارائه میدهد. این ماده فوتونی مصنوعی راه‌های جدیدی برای مطالعه و دستکاری حالات کوانتومی در شرایط غیرتعادلی باز میکند و مرزهای ماده کوانتومی را فراتر از سیستم‌های اتمی سنتی گسترش میدهد.
این کشف نه تنها درک ما از سوپرجامدها را غنی‌تر میکند بلکه پتانسیل‌هایی برای کاربرد در فوتونیک و رایانه‌های کوانتومی دارد، جایی که کنترل جریان نور با ویژگی‌های بدون اصطکاک می‌تواند منجر به پیشرفت‌هایی در فناوری شود. این کار نمایانگر جهشی هیجان‌انگیز در مطالعه فازهای کوانتومی ماده است و نشان میدهد که این تنها آغاز کشف کامل رفتارهایی است که می‌توانند در سیستم‌های فوتونی به وقوع بپیوندند.
منابع:
[1] https://www.newsweek.com/supersolid-light-physics-quantum-mechanics-2041338
[2] https://www.nature.com/articles/s41586-025-08616-9
[3] https://phys.org/news/2025-03-laser-supersolid.html
دیدگاه خود را درباره این خبر با ما به اشتراک بگذارید.
