کشف حالت‌های جدید ماده در سیستم دوبعدی توسط پژوهشگران دانشگاه ایالتی جورجیا

خلاصه خبر:

محققان دانشگاه ایالتی جورجیا با بررسی اثر هال کوانتومی کسری (FQHE) حالات جدیدی از ماده را در یک سیستم دو بعدی کشف کردند. مطالعه آنها که در دمای نزدیک به صفر مطلق و میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی انجام شد، رفتار غیرمنتظره‌ای را در حالت‌های FQHE نشان می‌دهد که در آن اعمال یک جریان اضافی، باعث می‌شود این حالت‌ها به روش‌های جدید جدا شده و تلاقی داشته باشند. این مشاهدات پیشگامانه که با استفاده از اجزای نیمه هادی با موبیلیتی بالا امکان پذیر شده است، وجود حالت های کوانتومی جدید را نشان می دهد و می تواند پیامدهای مهمی برای محاسبات کوانتومی و علم مواد داشته باشد. این تحقیق که توسط NSF و دفتر تحقیقات ارتش تأمین می شود، نظریه های موجود را به چالش می کشد و راه های جدیدی را برای پیشرفت های فناوری باز می کند.

توضیحات تکمیلی:

در قلمرو مکانیک کوانتومی، محققان آنچه را که می‌توان به عنوان «حالت جدیدی از ماده» متمایز از حالت‌های کلاسیک جامد، مایع، گاز و پلاسما در نظر گرفت، کشف کرده‌اند. برخلاف این فازهای آشنا، این حالت تازه کشف شده در شرایط عجیب ، دماهای بسیار پایین و میدان های مغناطیسی شدید، که در آن اثرات کوانتومی غالب است، وجود دارد. این کشف در مطالعه اثر هال کوانتومی کسری (FQHE) قرار می گیرد، پدیده ای که حالت های کوانتومی منحصر به فرد ماده را نشان می دهد. این حالت‌ها فقط تغییراتی از فازهای کلاسیک نیستند، بلکه فازهای کاملاً جدید و عجیبی را نشان می‌دهند که درک ما از ماده را در سطح کوانتومی به چالش می‌کشند.

پژوهشگران دانشگاه ایالتی جورجیا با کشف حالت‌های جدیدی از ماده در یک سیستم دوبعدی، پیشرفت‌های مهمی در فیزیک کوانتومی به‌دست آورده‌اند و پدیده پیچیده‌ای به نام اثر هال کوانتومی کسری یا همان fractional quantum Hall effect (FQHE) را روشن کرده‌اند. این اثر، که یکی از موضوعات اصلی در فیزیک ماده متراکم  مدرن است، زمانی رخ می‌دهد که الکترون‌ها در یک سیستم دوبعدی در شرایط بسیار شدید، مانند دماهای نزدیک به صفر مطلق و میدان‌های مغناطیسی که تقریباً 100000 برابر قوی‌تر از میدان مغناطیسی زمین هستند، رفتار غیرمنتظره‌ای از خود نشان می‌دهند.

تیم تحقیقاتی به رهبری پروفسور رامش جی. مانی، به بررسی FQHE پرداختند و رفتارهای شگفت‌انگیزی را هنگام اعمال یک جریان اضافی به سیستم کشف کردند. به‌طور خاص، آن‌ها مشاهده کردند که حالت‌های FQHE به‌طور غیرمنتظره‌ای جدا شده و با یکدیگر تلاقی می‌کنند، پدیده‌ای که پیش از این هرگز دیده نشده بود. این یافته‌ها مرزهای درک در این زمینه را گسترش داده و حالت‌های هیجان انگیز جدیدی  را آشکار کرده‌اند که نظریه‌های موجود را به چالش می‌کشد و منشأ هیبریدی برای اثرات مشاهده شده‌ی FQHE در شرایط غیرتعادلی پیشنهاد می‌دهد.

این مطالعه از آرسنید گالیم و آرسنید گالیم آلومینیوم برای ایجاد یک محیط دو بعدی استفاده کرد که به الکترون ها اجازه می داد آزادانه حرکت کنند. با معرفی یک بایاس جریان مستقیم، محققان توانستند جدایش و تلاقی غیرمنتظره حالت‌های FQHE را مشاهده کنند که نشان‌دهنده حضور حالت‌های کاملاً جدید ماده است.

این کشفیات تأثیرات گسترده‌ای فراتر از آزمایشگاه دارد، به ویژه در زمینه‌ی محاسبات کوانتومی و علم مواد. توانایی کنترل و درک این حالت‌های جدید کوانتومی می‌تواند به پیشرفت‌های قابل توجهی در پردازش داده‌ها، کارایی انرژی و توسعه فناوری‌های جدید منجر شود. این پژوهش، که با حمایت مالی بنیاد ملی علوم و دفتر تحقیقات ارتش انجام شده، گامی مهم در مطالعه‌ی سیستم‌های کوانتومی به شمار می‌رود.

تیم پژوهشی قصد دارد این پدیده‌ها را در شرایط حتی شدیدتر بررسی کند، با این امید که جنبه‌های پیچیده‌تری از سیستم‌های کوانتومی را آشکار کرده و به نوآوری‌های فناورانه‌ی آینده کمک کند.

منبع

https://interestingengineering.com/science/new-states-of-matter-revealed-by-electrons