اخبار کوانتومی – کشف حالت های کوانتومی ناشناخته جدید

عنوان خبر: کشف حالت های کوانتومی ناشناخته جدید
ژانر/موضوع: مواد کوانتومی

تاریخ انتشار خبر: 21 آوریل 2025
لینک خبر: phys.org

چکیده:

یک مطالعه جدید از کشف بیش از ۱۲ حالت کوانتومی ناشناخته در مولیبدن دی‌تلورید پیچ‌خورده (MoTe₂) خبر میدهد؛ ماده‌ای لایه‌ای با ساختار ماره. این حالت‌ها شامل حالت‌های بدون میدان مغناطیسی اثر هال کسری کوانتومی هستند که میتوانند آنیون‌های ناآبلی را پشتیبانی کنند — شبه‌ذراتی عجیب که برای ساخت رایانه‌های کوانتومی توپولوژیکی پایدار کلیدی محسوب میشوند. این کشف با استفاده از تکنیک بسیار حساس طیف‌سنجی pump-probe انجام شد که تغییرات ظریف در حالت‌های کوانتومی را از طریق اندازه‌گیری تغییرات ثابت دی‌الکتریک در طول زمان شناسایی میکند. برخلاف اثر هال کوانتومی سنتی که نیاز به میدان‌های مغناطیسی قوی دارد، ساختار ماره ای MoTe₂ پیچ خورده اثرات مغناطیسی داخلی تولید کرده و نیاز به مغناطیس خارجی را از بین میبرد. این پیشرفت «باغ‌وحش کوانتومی» ماده‌های عجیب را به‌طور چشمگیری گسترش داده و راه‌های جدیدی برای محاسبات کوانتومی و فیزیک ماده چگال می‌گشاید.

شرح کامل خبر:

در یک مطالعه پیشگامانه که در نشریه Nature منتشر شده، پژوهشگران موفق به کشف بیش از دوازده حالت کوانتومی جدید و مشاهده‌نشده در دی‌تلورید مولیبدن پیچ‌خورده (MoTe₂) شده‌اند — ماده‌ای دوبعدی که با چرخش نسبی لایه‌هایش الگوی ماره (moiré pattern) ایجاد می‌کند. این پژوهش، به رهبری دانشمندان دانشگاه کلمبیا، به‌طور چشمگیری به “باغ‌وحش کوانتومی” — استعاره‌ای برای توصیف فزاینده پدیده‌های عجیب کوانتومی حاصل از برهم‌کنش پیچیده الکترون‌ها — افزوده است.

از جمله این حالات تازه کشف‌شده، اثر هال کوانتومی کسری (FQHE) بدون نیاز به میدان مغناطیسی خارجی است. این نسخه “غیرمعمول” از اثر، به‌ویژه مهم است، چرا که امکان پشتیبانی از آنیون‌های غیرآبلی را دارد — شبه‌ذراتی نظری که گزینه‌ای ایده‌آل برای ساخت رایانه‌های کوانتومی توپولوژیکی محسوب می‌شوند. چنین رایانه‌هایی نسبت به نویز محیطی و خطاهای محاسباتی مقاوم‌تر هستند، برخلاف رایانه‌های کوانتومی امروزی که از مدارهای ابررسانا استفاده می‌کنند و به‌شدت نسبت به میدان مغناطیسی حساس‌اند.

این کشف با استفاده از تکنیک طیف‌سنجی پمپ-پروب (pump-probe spectroscopy) ممکن شد؛ روشی که در آن یک پالس لیزری حالت‌های کوانتومی را به‌طور موقت “ذوب” می‌کند و پالس دومی، بازیابی آن‌ها را با سنجش تغییرات بسیار ظریف در ثابت دی‌الکتریک ماده — معیاری برای ظرفیت ذخیره انرژی الکتریکی — اندازه‌گیری می‌کند. این روش که توسط اریک آرسنو توسعه یافته، در حال حاضر حساس‌ترین روش موجود برای بررسی حالت‌های دینامیکی در مواد کوانتومی محسوب می‌شود.

پیش از این، اثر هال کوانتومی کسری تنها در میدان‌های مغناطیسی قوی و دماهای بسیار پایین دیده شده بود. اما در MoTe₂ پیچ‌خورده، میدان مغناطیسی داخلی ناشی از الگوی ماره، نیاز به میدان خارجی را از بین می‌برد و به پیدایش این حالت‌ها می‌انجامد.

این کار بر پایه کشفی در سال ۲۰۲۳ توسط Xiaodong Xu، فیزیک‌دانی از دانشگاه واشینگتن، استوار است که برای نخستین بار FQHE بدون مغناطیس را در MoTe₂ پیچ‌خورده مشاهده کرد. با استفاده از نمونه‌ای از آزمایشگاه Xu، محقق فوق‌دکتری Yiping Wang آزمایش‌هایی انجام داد که در آن حالت‌های کسری بسیار بیشتری آشکار شد — برخی از آن‌ها همان مواردی هستند که به‌صورت نظری به‌عنوان اجزای اصلی رایانه‌های توپولوژیکی پیش‌بینی شده‌اند.

علاوه بر مشاهده خواص حالت پایه، روش pump-probe چگونگی تحول این حالت‌های کوانتومی در زمان را نیز نشان داد و دریچه‌ای نو به بُعدِ زمان برای مطالعه هم‌بستگی‌ها و توپولوژی کوانتومی گشود. Xiaoyang Zhu، نویسنده اصلی، گفت: «آن‌ها مدام ما را شگفت‌زده می‌کنند، به‌ویژه زمانی که آن‌ها را از حالت تعادل خارج می‌کنیم.»

این یافته‌ها نه تنها گامی مهم در فیزیک مواد هستند، بلکه می‌توانند مسیر جدیدی برای توسعه رایانه‌های کوانتومی پایدار و مقاوم در برابر خطا فراهم کنند. پژوهشگران امیدوارند این کشف و تکنیک حساس‌شان الهام‌بخش مطالعات بیشتری برای کشف حالت‌های ناشناخته دنیای کوانتومی باشد.

منابع:

[1] https://phys.org/news/2025-04-quantum-zoo-scientists-dozen-species.html

[2] https://www.nature.com/articles/s41586-025-08954-8

دیدگاه خود را درباره این خبر با ما به اشتراک بگذارید.