بیگ بنگ: دانشمندان ژاپنی و آمریکایی کشف کردند که یک آهنربای کوانتومی سه میلیارد برابر سردتر از فضای میان‌ستاره‌ای است. این کشف می‌تواند به آنها در ساخت ابررساناها یا عایق‌های با تحمل دمای بالا کمک کند.

به گزارش بیگ بنگ به نقل از ایسنا، در بیانیه مطبوعاتی دانشگاه “رایس” توضیح داده شده است: فیزیکدانان ژاپنی و آمریکایی از اتم‌هایی حدود سه میلیارد برابر سردتر از فضای میان‌ستاره‌ای برای باز کردن دریچه‌ای به قلمروی ناشناخته مغناطیس کوانتومی استفاده کردند.

جمله‌ی بالا متعلق به یک فیلم علمی -تخیلی نیست، اما در واقع به همین زندگی واقعی تعلق دارد. آنچه دانشمندان کشف کردند نوع جدیدی از آهنربای کوانتومی است که از اتم‌هایی ساخته شده است که فقط یک میلیاردم درجه گرم‌تر از صفر مطلق – دمای دست نیافتنی که در آن حرکت همه اتم‌ها متوقف می‌شود – دما دارند.

ماده‌ای سردتر از عمق فضا

“کادن هازارد” نویسنده نظریه این مطالعه از دانشگاه رایس در بیانیه مطبوعاتی توضیح داد که یک تیم مستقر در کیوتو به سرپرستی “یوشیرو تاکاهاشی”، از لیزر برای خنک کردن فرمیون‌های اتم‌های ایتربیوم، (ذراتی مانند الکترون‌ها و یکی از دو نوع ذره‌ای که همه مواد از آنها ساخته شده‌اند) استفاده کرد. در نهایت، آنها یک آهنربا بر اساس خاصیت چرخشی ایجاد کردند که دارای شش گزینه با برچسب رنگی است.

“هازارد” گفت: این تیم ذرات را تا چنین دماهای پایینی خنک کردند، زیرا فیزیک در این شرایط شروع به حرکت به سمت مکانیک کوانتومی شدن می‌کند و به شما امکان می‌دهد پدیده‌های جدیدی را مشاهده کنید.

در نهایت، رفتارهای کوانتومی اتم‌ها زمانی که تا کسری از درجه صفر مطلق سرد می‌شوند، آشکارتر می‌شوند و با استفاده از لیزر برای خنک کردن اتم‌ها، مشاهده آنها آسان‌تر است، زیرا حرکات آنها به شبکه‌های نوری محدود می‌شود. این شبکه‌ها کانال‌های یک بعدی، دو بعدی و سه بعدی نور هستند که می‌توانند به عنوان شبیه‌سازهای کوانتومی استفاده شوند که قادر به حل مسائل پیچیده‌ای هستند که کامپیوترهای معمولی قادر به حل آنها نیستند.

آزمایشگاه “تاکاهاشی” در ژاپن از این شبکه‌های نوری برای شبیه‌سازی “مدل هابارد” استفاده کرد که یک مدل کوانتومی است که معمولاً برای بررسی رفتار مغناطیسی و ابررسانایی مواد استفاده می‌شود.

همانطور که در بیانیه مطبوعاتی محققان آمده است، مدل هابارد که در کیوتو شبیه‌سازی شده دارای تقارن خاصی است که به نامSU(N) شناخته می‌شود که در آن SU یک روش ریاضی برای توصیف تقارن و N حالت‌های چرخش یا اسپین ممکن ذرات موجود در مدل را نشان می‌دهد.

اتم‌های ایتربیوم دارای شش حالت اسپین ممکن هستند و شبیه‌سازی کیوتو اولین موردی است که همبستگی‌های مغناطیسی را در مدل هاباردSU(۶) نشان می‌دهد که محاسبه آن در کامپیوتر غیرممکن است.

“ادواردو ایبارا-گارسیا-پادیلا” یکی از نویسندگان این مطالعه و دانشجوی کارشناسی ارشد در گروه تحقیقاتی “هازارد” گفت: «هدف مدل هابارد گرفتن حداقل مواد تشکیل دهنده است تا بفهمد چرا مواد جامد به فلز، عایق، آهنربا یا ابررسانا تبدیل می‌شوند. داشتن توانایی مهندسی آن در آزمایشگاه فوق‌العاده است. اگر بتوانیم این را درک کنیم، ممکن است ما را به سمت ساخت مواد واقعی با خواص جدید و دلخواه راهنمایی کند.»

فیزیکدانان مدت‌هاست به چگونگی برهمکنش اتم‌ها در آهن‌رباهای اگزوتیک علاقه‌مند بودند، زیرا تصور می‌کنند برهم‌کنش‌های مشابهی در ابررساناهای با دمای بالا که موادی هستند که الکتریسیته را به خوبی هدایت می‌کنند، رخ می‌دهد. برای مثال، با درک بهتر آنچه اتفاق می‌افتد، می‌توانند ابررساناهای بهتری را کنار هم قرار دهند.

این آزمایش‌ها در کیوتو درهایی را به روی فیزیکدانان باز می‌کند تا با مشاهده مستقیم آنها در عمل، نحوۀ عملکرد این سیستم‌های کوانتومی پیچیده را بیاموزند. جزئیات بیشتر این پژوهش در مجله Nature Physics منتشر شده است.

سایت علمی بیگ بنگ / منبع: interestingengineering.com