حالة كمية غريبة تمت ملاحظتها لأول مرة
 |
| لاحظ العلماء حالة كمية غير عادية للمادة لأول مرة. |
لاحظ الفيزيائي أندريا بيانكي حالة "سائل الدوران الكمومي" في مادة مغناطيسية تم إنشاؤها في مختبره.
لا يكتشف شخص ما حالة جديدة من المادة في فيزياء الكم كل يوم ، وهو المجال العلمي المخصص لوصف سلوك الجسيمات الذرية ودون الذرية من أجل فهم خصائصها.
ومع ذلك ، هذا بالضبط ما فعله فريق دولي من الباحثين. يضم الفريق أندريا بيانكي ، أستاذ الفيزياء بجامعة مونتريال والباحثة في Regroupement québécois sur les matériaux de pointe ، وطلابه أفنير فيترمان وجيريمي دودمين.
في مقال نُشر مؤخرًا في المجلة العلمية Physical Review X ، وثق العلماء "حالة أرضية سائلة كمومية مغزلية" في مادة مغناطيسية تم إنشاؤها في مختبر بيانكي: Ce 2 Zr 2 O 7 ، وهو مركب مكون من السيريوم والزركونيوم والأكسجين. .
مثل سائل مغلق داخل مادة صلبة شديدة البرودة
في فيزياء الكم ، الدوران هو خاصية داخلية للإلكترونات مرتبطة بدورانها. إن الدوران هو الذي يعطي المادة الموجودة في المغناطيس خصائصها المغناطيسية.
في بعض المواد ، ينتج عن السبين بنية غير منظمة مماثلة لتلك الموجودة في الجزيئات في السائل ، ومن هنا جاء التعبير "سائل الدوران".
بشكل عام ، تصبح المادة غير منظمة مع ارتفاع درجة حرارتها. هذا هو الحال ، على سبيل المثال ، عندما يتحول الماء إلى بخار. لكن السمة الرئيسية للسوائل الدورانية هي أنها تظل غير منظمة حتى عند تبريدها إلى الصفر المطلق (-273 درجة مئوية / -459.67 درجة فهرنهايت).
تظل سوائل الدوران غير منظمة لأن اتجاه الدوران يستمر في التقلب حيث يتم تبريد المادة بدلاً من الاستقرار في الحالة الصلبة ، كما هو الحال في المغناطيس التقليدي ، حيث يتم محاذاة جميع الدورات.
فن "إحباط" الإلكترونات
تخيل أن الإلكترون هو بوصلة صغيرة تشير إما لأعلى أو لأسفل. في المغناطيسات التقليدية ، تدور جميع دورات الإلكترون في نفس الاتجاه ، لأعلى أو لأسفل ، مما يخلق ما يُعرف باسم "المرحلة المغناطيسية الحديدية". هذا هو ما يحافظ على الصور والملاحظات مثبتة في الثلاجة.
ولكن في السوائل الكمومية المغزلية ، يتم وضع الإلكترونات في شبكة مثلثة الشكل وتشكل "ménage à trois" تتميز باضطراب شديد يتعارض مع ترتيبها. والنتيجة هي دالة موجة متشابكة ولا يوجد ترتيب مغناطيسي.
أوضح بيانكي أنه "عند إضافة إلكترون ثالث ، لا يمكن محاذاة دوران الإلكترون لأن الإلكترونين المجاورين يجب أن يكون لهما دائمًا دوران متعاكس ، مما يؤدي إلى ما نسميه إحباطًا مغناطيسيًا". "هذا يولد الإثارة التي تحافظ على اضطراب السبينات وبالتالي الحالة السائلة ، حتى في درجات حرارة منخفضة للغاية."
فكيف أضافوا إلكترونًا ثالثًا وتسببوا في مثل هذا الإحباط؟
خلق الثلاثي
أدخل المغناطيس المحبط Ce 2 Zr 2 O 7 الذي ابتكره بيانكي في مختبره. إلى قائمة إنجازاته الطويلة بالفعل في تطوير مواد متقدمة مثل الموصلات الفائقة ، يمكننا الآن إضافة "سيد فن المغناطيس المحبط!"
Ce 2 Zr 2 O 7 عبارة عن مادة أساسها السيريوم لها خصائص مغناطيسية. قال بيانكي "كان وجود هذا المركب معروفًا". "كان الاختراق الذي حققناه هو إنشائه في شكل نقي فريد. استخدمنا عينات مذابة في فرن بصري لإنتاج ترتيب مثلثي شبه مثالي للذرات ثم فحصنا الحالة الكمومية ".
كان هذا المثلث شبه المثالي هو الذي مكّن بيانكي وفريقه في UdeM من إحداث إحباط مغناطيسي في Ce 2 Zr 2 O 7 . من خلال العمل مع باحثين في جامعتي ماكماستر وكولورادو ومختبر لوس ألاموس الوطني ومعهد ماكس بلانك لفيزياء النظام المعقد في دريسدن بألمانيا ، قاموا بقياس الانتشار المغناطيسي للمركب.
 |
| عينة من مغناطيس السيريوم المحبط ، Ce2Zr2O7 ، المصمم في مختبر أندريا بيانكي. |
قال بيانكي: "أظهرت قياساتنا وظيفة جسيمية متداخلة - وبالتالي لا توجد قمم براغ - علامة واضحة على غياب النظام المغناطيسي الكلاسيكي". "لاحظنا أيضًا توزعًا للدوران باتجاهات متقلبة باستمرار ، وهو ما يميز السوائل الدورانية والإحباط المغناطيسي. يشير هذا إلى أن المادة التي أنشأناها تتصرف مثل سائل الدوران الحقيقي في درجات حرارة منخفضة. "
من الحلم إلى الواقع
بعد تأكيد هذه الملاحظات بمحاكاة حاسوبية ، خلص الفريق إلى أنهم كانوا بالفعل يشهدون حالة كمومية لم يسبق لها مثيل.
قال بيانكي: "إن تحديد حالة كمومية جديدة للمادة هو حلم يتحقق لكل فيزيائي". "مادتنا ثورية لأننا أول من أظهر أنها يمكن أن تظهر بالفعل كسائل دوراني. يمكن أن يفتح هذا الاكتشاف الباب أمام مناهج جديدة في تصميم أجهزة الكمبيوتر الكمومية ".
مغناطيس محبط باختصار
المغناطيسية هي ظاهرة جماعية تدور فيها الإلكترونات في مادة ما في نفس الاتجاه. المثال اليومي هو المغناطيس الحديدي ، الذي يدين بخصائصه المغناطيسية إلى محاذاة الدورات. يمكن للإلكترونات المجاورة أيضًا أن تدور في اتجاهين متعاكسين. في هذه الحالة ، لا تزال الدورات تدور في اتجاهات محددة جيدًا ولكن لا يوجد مغنطة. تشعر المغناطيسات المحبطة بالإحباط لأن الإلكترونات المجاورة تحاول توجيه دورانها في اتجاهات معاكسة ، وعندما يجدون أنفسهم في شبكة مثلثة ، لم يعد بإمكانهم الاستقرار على ترتيب مشترك ومستقر. النتيجة: مغناطيس محبط.
المرجع: "Case for a U (1) p Quantum Spin Liquid State State in the Dipole-Octupole Pyrochlore Ce 2 Zr 2 O 7 " بواسطة EM Smith، O. Benton، DR Yahne، B. Placke، R. Schäfer، J. Gaudet، J. Dudemaine، A. Fitterman، J. Beare، AR Wildes، S. Bhattacharya، T. DeLazzer، CRC Buhariwalla، NP Butch، R. Movshovich، JD Garrett، CA Marjerrison، JP Clancy، E. Kermarrec، GM Luke ، AD Bianchi، KA Ross and BD Gaulin، 20 April 2022، Physical Review X.