قطع الباحثون في جامعة براون خطوات كبيرة في فهم الحالة المعقدة للمادة المعروفة باسم السوائل الكمومية المغزلية. وعلى النقيض من المغناطيسات القياسية، التي تتصلب مع انخفاض درجة حرارتها، تظل السوائل المغزلية الكمومية في حالة من التقلب. توفر دراسة حديثة، تركز على المركب H3LiIr2O6، نظرة ثاقبة لدور الاضطراب في هذه المواد. ووجدوا أن الحالة السائلة الكمومية لم يتم تقليدها أو تدميرها عن طريق الفوضى، ولكنها تغيرت بشكل كبير. ويجلب هذا البحث الأمل لتكنولوجيا الكم، وخاصة في مجال الحوسبة الكمومية.
تبدأ دراسة أجراها علماء جامعة براون في معالجة سؤال طويل الأمد في فيزياء المواد المكثفة: ما إذا كان الاضطراب يحاكي أو يدمر الحالة السائلة الكمومية في مركب بارز. يصعب تفسير السوائل المغزلية الكمومية، كما يصعب فهمها.
أولاً، لا علاقة للسوائل المغزلية الكمومية بالسوائل اليومية مثل الماء أو العصير، بل بالمغناطيس الخاص وكيفية دورانها. في المغناطيس العادي، عندما تنخفض درجة الحرارة، تتجمد دورانات الإلكترونات بشكل أساسي، لتشكل كتلة صلبة. ومع ذلك، في السوائل الكمومية المغزلية، لا تتجمد الإلكترونات المغزلية، وبدلاً من ذلك، تظل الإلكترونات في تدفق مستمر، كما هو الحال في السائل المتدفق الحر.
تعد السوائل الكمومية المغزلية من بين الحالات الكمومية الأكثر تشابكًا على الإطلاق، وتعد خصائصها أساسية للتطبيقات التي يعتقد العلماء أنها يمكن أن تساعد في تطوير تكنولوجيا الكم. على الرغم من 50 عامًا من استكشاف السوائل الكمومية المغزلية والنظريات المتعددة التي تشير إلى وجودها، لم يتمكن أحد من رؤية دليل قاطع على هذه الحالة من المادة. في الواقع، قد لا يرى الباحثون مثل هذا الدليل أبدًا لأنه من الصعب جدًا قياس التشابك الكمي بشكل مباشر، وهي الظاهرة التي أطلق عليها أينشتاين اسم "الفعل الشبحي عن بعد". هذه الظاهرة أطلق عليها أينشتاين اسم "العمل الشبحي عن بعد"، أي أن ذرتين مرتبطتان ببعضهما ويمكنهما تبادل المعلومات مهما كانت المسافة بينهما.
دور الاضطراب في سوائل الدوران الكمومية
يثير لغز السوائل الكمومية المغزلية أسئلة كبيرة حول هذه المادة الغريبة في فيزياء المادة المكثفة والتي لا تزال دون إجابة حتى يومنا هذا. لكن في بحث جديد نُشر في مجلة Nature Communications، شرع فريق من الفيزيائيين بقيادة جامعة براون في حل أحد أهم الأسئلة، وقاموا بذلك عن طريق إدخال مرحلة جديدة من المادة. كل ذلك يأتي إلى الفوضى.
"جميع المواد مضطربة إلى حد ما"، أوضح كيمب بلامب، أستاذ مساعد في الفيزياء بجامعة براون وكبير مؤلفي الدراسة الجديدة، ويرتبط الاضطراب بعدد الطرق المجهرية التي يتم بها ترتيب مكونات النظام. على سبيل المثال، الأنظمة المنظمة (مثل البلورات الصلبة) لديها طرق قليلة لإعادة ترتيب نفسها، في حين أن الأنظمة غير المنتظمة (مثل الغازات) ليس لها بنية حقيقية.
في السوائل الكمومية المغزلية، الاختلاف الناتج عن الفوضى يتعارض بشكل أساسي مع النظرية الكامنة وراء السائل. أحد التفسيرات الشائعة هو أنه عندما يحدث الاضطراب، فإن المادة لم تعد سائلًا كميًا مغزليًا، بل مجرد مغناطيس في حالة غير منتظمة. "لذا فإن السؤال الكبير هو ما إذا كانت الحالات السائلة الكمومية قادرة على النجاة من الفوضى، وإذا كان الأمر كذلك، فكيف؟" قال البرقوق.
لحل هذه المشكلة، استخدم الباحثون ألمع الأشعة السينية في العالم لتحليل الموجات المغناطيسية في المركبات التي درسوها، بحثًا عن أدلة على السوائل المغزلية الكمومية. تُظهر القياسات أن المادة لا لا تصبح مرتبة مغناطيسيًا (أو تتجمد) عند درجات حرارة منخفضة فحسب، بل إن الحالات المضطربة الموجودة في النظام لا تحاكي أو تعطل الحالة السائلة الكمومية.
ووجدوا أن الاضطراب يغير هذه الحالة بشكل كبير.
وقال بلوم: "إن الحالة السائلة الكمومية قابلة للحياة". "إنه لا يتجمد مثل المغناطيس العادي. إنه يحافظ على هذه الحالة الديناميكية، لكنه يشبه نسخة غير مرتبطة من الحالة الديناميكية. تفسيرنا الآن هو أن السائل الكمي المغزلي ينقسم إلى برك صغيرة في جميع أنحاء المادة."
التأثير والبحوث المستقبلية
تظهر النتائج بشكل أساسي أن المادة التي درسوها هي واحدة من المواد المرشحة الرئيسية للسوائل المغزلية الكمومية، وهي تبدو قريبة من السوائل المغزلية الكمومية، ولكنها تحتوي على مكون آخر. يعتقد الباحثون أن هذا سائل كمي مغزلي مضطرب، وهي مرحلة جديدة من المادة المضطربة.
قال بلوم: "الشيء الوحيد الذي يمكن أن يحدث في هذه المادة هو أنها تتحول إلى نسخة مضطربة من الحالة السائلة المغزلية غير الكمومية، لكن قياساتنا ستخبرنا بذلك. بدلاً من ذلك، تظهر قياساتنا أنها حالة مختلفة تمامًا".
تعمق هذه النتائج فهمنا لكيفية تأثير الفوضى على الأنظمة الكمومية وكيفية تفسيرها، وهو أمر مهم لاستكشاف تطبيقات هذه المواد في الحوسبة الكمومية.
يعد هذا العمل جزءًا من دراسة طويلة الأمد للحالات المغناطيسية الغريبة في مختبر بلوم بجامعة براون. ركزت الدراسة على مركب H3LiIr2O6، وهي مادة يُعتقد أنها أفضل نموذج أولي لنوع خاص من السائل الكمي المغزلي المعروف باسم سائل كيتايف المغزلي. في حين أنه من المعروف أن H3LiIr2O6 لا يتجمد عند درجات حرارة منخفضة، إلا أنه من الصعب إنتاجه في المختبر، ومن المعروف أن هناك اضطرابًا في H3LiIr2O6، مما يحجب ما إذا كان H3LiIr2O6 هو في الواقع سائل يدور.
قام باحثون من جامعة براون، بالتعاون مع متعاونين في كلية بوسطن، بتصنيع المادة ثم تشعيعها بضوء عالي الطاقة باستخدام نظام أشعة سينية قوي في مختبر أرجون الوطني في إلينوي. يثير الضوء المغناطيسية في المركبات، وقياسه من الموجات التي يخلقها هو حل بديل لقياس التشابك لأنه يوفر طريقة لمعرفة كيفية تأثير الضوء على النظام بأكمله.
ويأمل الباحثون في مواصلة التوسع في هذا العمل من خلال تحسين الطريقة والمواد نفسها ودراسة المواد المختلفة.
وقال بلوم: "إن أكبر شيء للمضي قدماً هو ما كنا نفعله، وهو مواصلة البحث في المساحة الشاسعة من المواد التي يقدمها لنا الجدول الدوري". "الآن لدينا فهم أفضل بكثير لكيفية تأثير مجموعات مختلفة من العناصر على التفاعلات أو إنشاء أنواع مختلفة من الاضطراب التي تؤثر على السوائل الدورانية. لدينا الكثير من الإرشادات، وهذا مهم حقًا لأن هذا مجال واسع جدًا للاستكشاف."