لاحظ بان جيانوي وياو شينغكان وتشن يواو وآخرون من جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين الفجوة الزائفة الناتجة عن الاقتران بين العديد من الأجسام لأول مرة بناءً على غاز فيرمي الموحد المتفاعل بقوة. تثبت هذه الدراسة وجود فجوة زائفة للاقتران لأول مرة، وتوفر الدعم لفرضية الاقتران المسبق للإلكترون في آلية الموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية، وتتخذ خطوة مهمة نحو فهم آلية التوصيل الفائق في درجات الحرارة العالية، وهي مثال على استخدام المحاكاة الكمومية لحل المشكلات الفيزيائية المهمة. في 8 فبراير، نُشرت هذه النتيجة في المجلة الأكاديمية الدولية الموثوقة Nature تحت عنوان "مراقبة وتقدير الفجوة الزائفة في غاز فيرمي الوحدوي".
الشكل 1: سمكتا الكارب اللتان تحملان خرزات اليشم على رأسيهما ترمز إلى زوج من الفرميونات ذات الدوران المعاكس؛ تمثل بوابة التنين مرحلة انتقالية فائقة السوائل وفجوة الطاقة الزائفة. قفز سمك الشبوط فوق القنطرة، مما يشير إلى أن الاقتران يحدث فوق درجة حرارة انتقال طور السوائل الفائقة. تؤدي ظاهرة الاقتران هذه بدورها إلى ظهور فجوات الطاقة الزائفة. / رسم: تشين لي
إن توليد فجوة الطاقة هو ظاهرة مميزة للموصلية الفائقة. في الموصلات الفائقة التقليدية، توجد فجوة الطاقة تحت درجة حرارة انتقال طور الموصلية الفائقة. مع اكتشاف الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية، لا يزال من الممكن ملاحظة فجوات الطاقة حتى فوق درجة حرارة انتقال المرحلة فائقة التوصيل. وتسمى هذه الظاهرة بفجوة زائفة. يمكن أن يوفر أصل وخصائص الفجوة الزائفة أدلة أساسية للإجابة على آلية الموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية. تعتقد الدوائر الأكاديمية عمومًا أن هناك آليتين رئيسيتين محتملتين للفجوة الكاذبة: إحداهما مشتقة من الاقتران المسبق للإلكترونات المتعددة الأجسام فوق درجة حرارة انتقال المرحلة فائقة التوصيل؛ والآخر مشتق من أطوار كمومية مختلفة موجودة في الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية، مثل النظام المغناطيسي المضاد، والنظام الشريطي، وموجات الكثافة المزدوجة. ومع ذلك، نظرًا لأن نظام المواد فائقة التوصيل الحقيقي ذو درجة الحرارة العالية معقد جدًا وأن المصادر المحتملة المختلفة للآليات تتنافس مع بعضها البعض، فإنه لم يكن من الواضح أي آلية تعمل.
يوفر غاز فيرمي فائق البرودة في حد التفاعل القوي (الوحدوي) منصة محاكاة كمومية مثالية لدراسة آلية الفجوات الكاذبة بسبب نقائها وإمكانية التحكم فيها. فمن ناحية، يخلق التفاعل الجاذب القوي بين ذرات فيرمي ظروفًا مواتية للاقتران بين العديد من الأجسام؛ ومن ناحية أخرى، يمكن للنظام تجنب المنافسة بين المراحل الكمية المتعددة. ولذلك، فإن إمكانية ملاحظة فجوة زائفة في هذا النظام سيصبح بمثابة التحقق الحاسم من آلية الاقتران بين العديد من الأجسام. ومع ذلك، فإن تحقيق هذا الهدف العلمي يواجه تحديين تقنيين رئيسيين، وهما أيضًا سببان وراء عدم تحقيق الأعمال السابقة اختراقات: أولاً، من الضروري تحضير غاز فيرمي الوحدوي عالي الجودة وموحد الكثافة؛ ثانيًا، من الضروري تطوير تكنولوجيا قياس مشابهة للتحليل الطيفي الكهروضوئي ذو الزاوية المحددة في الأنظمة الذرية فائقة البرودة.
بعد سنوات من العمل الشاق، أنشأ فريق البحث منصة محاكاة الكم الذري الليثيوم الديسبروسيوم فائقة البرودة وحقق الإعداد الرائد عالميًا لغاز فيرمي الموحد. كما قام فريق البحث بتطوير تقنية التثبيت للمجالات المغناطيسية الكبيرة. تحت مجال مغناطيسي يبلغ حوالي 700 جيجا، يكون تقلبه على المدى القصير أفضل من 25 ميكروجرام، واستقرار المجال المغناطيسي النسبي قريب من 10-8، وهو أعلى بكثير من أفضل النتائج الدولية السابقة. وفي ظل هذا المجال المغناطيسي فائق الاستقرار، تمكن فريق البحث من تنفيذ تقنية التحليل الطيفي بالموجات الدقيقة بنجاح والتي يمكنها تحليل زخم الذرات فائقة البرودة. على هذا الأساس، قام فريق البحث بشكل منهجي بقياس الوظيفة الطيفية للجسيم الواحد لغاز فيرمي الوحدوي عند درجات حرارة مختلفة ولاحظ بنجاح وجود فجوة زائفة، والتي قدمت الدعم لفرضية الاقتران المسبق للإلكترون (كما هو موضح في الشكل 2).
الشكل 2. رسم تخطيطي لطيف الجسيمات واحد. تمثل الكرات المتصلة والمستقلة أزواج كوبر وجسيمات مفردة على التوالي، والفجوة السطحية هي فجوة الطاقة الزائفة. / رسم: تشين لي
لا يؤدي هذا العمل البحثي إلى تطوير دراسة أنظمة الأجسام المتعددة المترابطة بقوة فحسب، بل يوفر أيضًا أساسًا تجريبيًا مهمًا لتحسين نظرية الأجسام المتعددة. بالإضافة إلى ذلك، فإن تقنية التحكم الكمي للذرة فائقة البرودة التي تم تطويرها في هذا العمل أرست أساسًا تقنيًا للخطوة التالية لدراسة ظواهر فيزياء المادة المكثفة الهامة الأخرى، مثل الميوعة الفائقة أحادية النطاق، والمرحلة الشريطية، والميوعة الفائقة FFLO، وما إلى ذلك. وقد اتفق مراجعو مجلة Nature بالإجماع على أن "هذا العمل يحل مشكلة فيزيائية مهمة طويلة الأمد ويعد علامة فارقة في أبحاث المحاكاة الكمومية".
وقد قامت الفرق البحثية ذات الصلة في جامعة العلوم والتكنولوجيا الصينية بعمل مثمر في عمليات المحاكاة الكمومية القائمة على الذرات فائقة البرودة في السنوات الأخيرة، ونشرت 10 أوراق بحثية عالية الجودة في مجلة Nature and Science. بناءً على تراكم التقنيات السابقة، بدأت محاكاة الكم الذرية فائقة البرودة في إظهار فعالية كبيرة في الكشف عن قوانين الأنظمة الفيزيائية المعقدة بما في ذلك آليات الموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية، مما يمهد الطريق لبناء جهاز محاكاة كمي مخصص قادر على حل المشكلات العملية في المستقبل القريب.
يعد كل من Hu Hui من جامعة Swinburne للتكنولوجيا وChen Qijin من جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين متعاونين نظريًا في هذا العمل. تم دعم هذا البحث من قبل وزارة العلوم والتكنولوجيا، والمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين، والأكاديمية الصينية للعلوم، ومقاطعة آنهوي، وبلدية شنغهاي، ومؤسسة نيو كورنرستون للعلوم.
رابط الورقة: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06964-y
(كلية الفيزياء، مركز خفي الوطني لبحوث العلوم الفيزيائية المجهرية، معهد المعلومات الكمية والابتكار التكنولوجي الكمي، الأكاديمية الصينية للعلوم، قسم الأبحاث)