اخبار کوانتومی – مشاهده ابرشارگی متقابل برای اولین بار توسط محققین چینی
عنوان خبر: مشاهده ابرشارگی متقابل برای اولین بار توسط محققین چینی
ژانر/موضوع: مواد کوانتومی، ابرشارگی
تاریخ انتشار خبر: 16 ژانویه 2025
لینک خبر: Phys.org
چکیده: پژوهشگران چینی USTC موفق شدند برای اولین بار ابرشارگی متقابل (Counter Superfluidity) را که یک حالت کوانتومی عجیب است، به صورت تجربی مشاهده کنند. این حالت که ۲۰ سال پیش به صورت نظری پیش‌بینی شده بود، شامل جریان دو جزء، مثلاً اتم‌های مختلف، در جهت‌های مخالف بدون اتلاف انرژی است، در حالی که کل سیستم ثابت و تراکم‌ناپذیر باقی می‌ماند. برای دستیابی به این دستاورد، محققان از اتم‌های روبیدیوم-۸۷ بسیار سرد که تا نزدیکی صفر مطلق سرد شده و در یک شبکه نوری کنترل‌شده قرار گرفته بود، استفاده کردند. برای ایجاد و مشاهده حالت CSF، تیم چینی از میکروسکوپ گاز کوانتومی پیشرفته‌ای بهره برد. این کنترل دقیق و تصویربرداری در دمایی معادل ۱ نانوکلوین انجام شده است. این پژوهش که در مجله Nature Physics منتشر شده، درها را به روی شبیه‌سازی کوانتومی و مطالعه سیستم‌های کوانتومی پیچیده باز می‌کند.
شرح کامل خبر:
در یک پیشرفت هیجان‌انگیز در دنیای فیزیک کوانتومی، تیمی از پژوهشگران آکادمی علوم چین و دانشگاه USTC موفق به مشاهده ابرشارگی متقابل (Counter Superfluidity) شدند، یک فاز کوانتومی عجیب که برای اولین بار 20 سال پیش پیش‌بینی شده بود. این کشف گامی بزرگ به سوی درک بهتر سیستم‌های کوانتومی، به ویژه سیستم‌هایی با همبستگی‌های قوی میان ذرات، است و می‌تواند تأثیرات بزرگی در فناوری‌های کوانتومی در آینده داشته باشد.
ابرشارگی متقابل چیست؟
ابرشارگی متقابل یک حالت کوانتومی عجیب است که در آن دو مؤلفه سیستم در جهت‌های مخالف جریان می‌یابند بدون اینکه انرژی از دست بدهند. تصور کنید دو نوع اتم یا ذرات با اسپین مختلف که در یک شبکه قرار دارند: یکی از آن‌ها در یک جهت حرکت می‌کند و دیگری در جهت مخالف. با این حال، کل سیستم ثابت می‌ماند و مانند یک عایق مات (Mott Insulator) تراکم‌ناپذیر رفتار می‌کند—یعنی حجم آن تغییر نمی‌کند و ویژگی‌های خاصی دارد که با مواد معمولی متفاوت است.
این پدیده ابرشارگی متقابل است، به این معنی که هر کدام از مؤلفه‌ها رفتار شبیه به مایع دارند، اما زمانی که با هم ترکیب می‌شوند، حرکت آن‌ها یکدیگر را خنثی می‌کند. این حالت به‌طور تجربی پیش از این مشاهده نشده بود، اما اکنون اولین مشاهده آن ممکن شده است.
چرا این کشف چالش‌برانگیز بود؟
مفهوم ابرشارگی متقابل برای سال‌ها مطرح بوده است، اما ایجاد و مشاهده آن به‌طور تجربی چالش‌های بزرگی داشته است. برای مثال، مشاهده این پدیده نیاز به کنترل دقیق سیستم دارد، از جمله آماده‌سازی کامل حالت‌ها، به حداقل رساندن گرما، و تصویربرداری با وضوح بالا از اتم‌های منفرد. در این تحقیق، سیستم مورد استفاده یک ترکیب دو مؤلفه‌ای، شامل اتم‌های فوق‌سرد روبیدیوم-87 با دو حالت اسپین مختلف بود.
پژوهشگران این اتم‌ها را در شبکه نوری قرار دادند که به‌طور دقیق موقعیت و تعاملات آن‌ها را کنترل می‌کند. این تنظیمات شبیه به حالت عایق مات بود، ماده‌ای که به طور نظری باید قادر به هدایت الکتریسیته باشد، اما در عمل به‌دلیل تعاملات شدید میان اسپین‌ها، اتم‌ها ثابت می‌مانند و از هدایت الکتریسیته جلوگیری می‌کنند.
آزمایش تجربی: یک دستاورد گام‌به‌گام
تیم تحقیقاتی در دانشگاه علم و فناوری چین موفق شد سیستم را با قرار دادن اتم‌های روبیدیوم-87 فوق‌سرد در حالت عایق اسپین-مات آماده کند. این حالت، در تئوری، باید قادر به هدایت الکتریسیته باشد، اما در عمل تعاملات شدید میان اسپین‌ها باعث می‌شود اتم‌ها در یک موقعیت ثابت بمانند.
پس از آماده‌سازی سیستم، تیم پژوهشی با تنظیم تعاملات بین دو نوع اتم، سیستم را به فاز ابرشارگی متقابل هدایت کرد. این اتم‌ها در یک شبکه نوری قرار گرفتند، که آن‌ها را در سایت‌های فردی به دام می‌اندازد و این امکان را به پژوهشگران می‌دهد که آن‌ها را به‌طور دقیق مشاهده کنند.
در این مرحله، تیم تحقیقاتی از میکروسکوپ گاز کوانتومی استفاده کرد، ابزاری پیشرفته که امکان مشاهده اتم‌های فردی را فراهم می‌آورد. این ابزار به آن‌ها کمک کرد تا همبستگی‌های ضد جفت (anti-pair correlations) را مشاهده کنند. به‌طور ساده، این سیستم نشان داد که وقتی یک اتم در یک جهت حرکت می‌کند، اتم دیگر در حالت اسپین مخالف در جهت مخالف حرکت می‌کند، و این تعادل سیستم را حفظ می‌کند.
علاوه بر این همبستگی‌های ضد جفت، پژوهشگران همبستگی‌های بلندمدت اسپین را مشاهده کردند که نشان‌دهنده این بود که سیستم نه تنها پایدار است، بلکه همبستگی آن در سراسر شبکه حفظ می‌شود. این نتایج هم در فضای واقعی و هم در فضای تکانه مشاهده شد که نتایج را تأیید کرد.
پیامدها و مسیرهای آینده
دستیابی به ابرشارگی متقابل، دروازه‌ای جدید برای تحقیق در زمینه سیستم‌های کوانتومی با همبستگی‌های قوی باز می‌کند. این کشف ابزار جدیدی برای شبیه‌سازی سیستم‌های پیچیده کوانتومی فراهم می‌آورد، که به محققان این امکان را می‌دهد که پدیده‌های کوانتومی جدید و فازهای کوانتومی ناشناخته را بررسی کنند. به‌ویژه، این کشف می‌تواند در تحقیقاتی که به دنبال فازهای جدید کوانتومی و پدیده‌های مرتبط با اسپین هستند، نقشی مهم ایفا کند.
این یافته‌ها همچنین می‌توانند در شبیه‌سازی‌های کوانتومی به‌کار روند و پژوهشگران را قادر سازند که سیستم‌های کوانتومی پیچیده را شبیه‌سازی کنند، که این کار به‌ویژه در تحقیقات مربوط به محاسبات کوانتومی، ارتباطات کوانتومی و رمزنگاری کوانتومی می‌تواند مفید باشد. در این راستا، فهم رفتار ذرات در فازهای سیال معکوس می‌تواند مزایای زیادی از لحاظ سرعت، دقت و پایداری به ارمغان آورد. علاوه بر این، روش‌ها و تکنیک‌های مورد استفاده در این تحقیق، به ویژه توانایی کنترل و مشاهده همبستگی‌های اسپین در فضای واقعی و تکانه، می‌توانند در سایر زمینه‌های فیزیک ماده چگال و علم مواد کاربرد داشته باشند.
این کشف نشان‌دهنده گامی بزرگ در زمینه شبیه‌سازی‌های کوانتومی است و قدرت شگرف روش‌های شبیه‌سازی اتم‌های فوق‌سرد را برای مشاهده و کنترل حالات کوانتومی عجیب به نمایش می‌گذارد. با تایید ابرشارگی متقابل، این تیم تحقیقاتی راهی جدید برای بررسی پدیده‌های پیچیده کوانتومی و فناوری‌های پیشرفته باز کرده است. این پیشرفت تنها به نوک قله دانشی که در زمینه سیستم‌های کوانتومی داریم اشاره می‌کند، و به نظر می‌رسد که هنوز کشفیات شگفت‌انگیزی در راه است.
منابع:
[1] https://phys.org/news/2025-01-chinese-quantum-state.html
[2] https://interestingengineering.com/science/counterflow-superfluidity-in-quantum-systems
[3] Zheng, YG., Luo, A., Shen, YC. et al. Counterflow superfluidity in a two-component Mott insulator. Nat. Phys. (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02732-5
دیدگاه خود را درباره این خبر با ما به اشتراک بگذارید.
