رویکرد سه جانبه خواص مایعات اسپین کوانتومی را تشخیص می دهد

در سال 1973، فیل اندرسون، فیزیکدان، این فرضیه را مطرح کرد که حالت مایع اسپین کوانتومی یا QSL در برخی از شبکه های مثلثی وجود دارد، اما او فاقد ابزار لازم برای حفاری عمیق تر بود. پنجاه سال بعد، تیمی به رهبری محققان مرتبط با مرکز علوم کوانتومی مستقر در آزمایشگاه ملی Oak Ridge وزارت انرژی وجود رفتار QSL را در ماده جدیدی با این ساختار، KYbSe2، تأیید کردند.

QSL ها – حالت غیرعادی ماده که توسط برهمکنش بین اتم های مغناطیسی درهم تنیده یا متصل به داخل به نام اسپین کنترل می شود – با تثبیت مشخص می شود. مکانیک کوانتومی فعالیت در KYbSe2 و دیگر delaphosites. این مواد به دلیل شبکه های مثلثی لایه ای و خواص امیدوارکننده ای که می توانند به ساخت با کیفیت بالا کمک کنند، ارزشمند هستند. ابررساناها و محاسبات کوانتومی اجزاء.

کاغذ، منتشر شده که در فیزیک طبیعی، شامل محققان ORNL. آزمایشگاه ملی لارنس برکلی؛ آزمایشگاه ملی لوس آلاموس؛ آزمایشگاه ملی شتاب دهنده SLAC; دانشگاه تنسی، ناکسویل؛ دانشگاه میسوری؛ دانشگاه مینه سوتا؛ دانشگاه استنفورد؛ و موسسه فیزیک روزاریو.

آلن چای، عضو QSC و نویسنده اصلی، دانشمند لوس آلاموس، می گوید: «محققان شبکه مثلثی مواد مختلف را در جستجوی رفتار QSL کاوش کرده اند. یکی از مزایای این ماده این است که می‌توانیم به راحتی اتم‌ها را عوض کنیم تا خواص ماده را بدون تغییر ساختار آن تغییر دهیم و این آن را از نظر علمی کاملاً ایده‌آل می‌کند.»

این تیم با استفاده از ترکیبی از تکنیک‌های نظری، تجربی و محاسباتی، چندین ویژگی QSL را مشاهده کردند: درهم‌تنیدگی کوانتومی، شبه ذرات عجیب و غریب، و تعادل مناسب تعاملات مبادله‌ای که نحوه تأثیر یک اسپین بر همسایگان خود را کنترل می‌کند. اگرچه تلاش‌ها برای شناسایی این ویژگی‌ها از لحاظ تاریخی به دلیل محدودیت‌های آزمایش‌های فیزیکی با مشکل مواجه شده‌اند، ابزارهای پراکندگی نوترونی مدرن می‌توانند اندازه‌گیری‌های دقیقی از مواد پیچیده در سطح اتمی ایجاد کنند.

محققان با مطالعه دینامیک اسپین KYbSe2 با طیف‌سنج خردکننده نوترون سرد در منبع نوترونی Spallation ORNL – یک مرکز کاربر دفتر علوم DOE – و مقایسه نتایج با مدل‌های نظری قابل اعتماد، به شواهدی دست یافتند که این ماده نزدیک به نقطه بحرانی کوانتومی است. ویژگی های QSL در حال رونق است. آنها سپس حالت مغناطیسی تک یونی آن را با طیف‌سنج هلیکوپتر با دامنه وسیع SNS تجزیه و تحلیل کردند.

شاهدان مورد بحث اطلاعات یک طرفه، دو طرفه و کوانتومی فیشر هستند که نقش کلیدی در تحقیقات قبلی QSC تمرکز بر مطالعه یک زنجیره یک بعدی از چرخش یا یک خط چرخش واحد در یک ماده. KYbSe2 یک سیستم دو بعدی است، کیفیتی که این تلاش ها را پیچیده تر می کند.

آلن تنانت، پروفسور فیزیک و علم و مهندسی مواد در UTK، که پروژه آهنربای کوانتومی را برای QSC رهبری می‌کند، می‌گوید: «ما از یک رویکرد طراحی مشترک استفاده می‌کنیم که ذاتی QSC است. نظریه پردازان در مرکز در حال محاسبه چیزهایی هستند که قبلاً قادر به محاسبه آن نبوده اند و این همپوشانی بین تئوری و آزمایش به این پیشرفت در تحقیقات QSL اجازه داده است.

این تحقیق در راستای اولویت های QSC است که شامل اتصال تحقیقات بنیادی به الکترونیک کوانتومی، آهنرباهای کوانتومی و سایر دستگاه های کوانتومی فعلی و آینده است.

تنانت گفت: “درک بهتر QSL برای توسعه فناوری های نسل بعدی واقعا مهم است.” این منطقه هنوز در مرحله تحقیقات اساسی است، اما اکنون می‌توانیم موادی را که می‌توانیم برای ساخت دستگاه‌های کوچک از ابتدا اصلاح کنیم، شناسایی کنیم.»

اگرچه KYbSe2 یک QSL واقعی نیست، اما این واقعیت که حدود 85 درصد مغناطیس در دمای پایین نوسان می کند به این معنی است که پتانسیل تبدیل شدن به یک را دارد. محققان انتظار دارند که تغییرات جزئی در ساختار آن یا قرار گرفتن در معرض فشار خارجی به طور بالقوه می تواند به رسیدن به 100 درصد کمک کند.

آزمایش‌گران QSC و دانشمندان محاسباتی در حال برنامه‌ریزی مطالعات و شبیه‌سازی‌های موازی بر روی مواد دلافوزیت هستند، اما یافته‌های محققان پروتکل بی‌سابقه‌ای را ایجاد می‌کنند که می‌تواند برای مطالعه سایر سیستم‌ها به کار رود. با ساده‌سازی ارزیابی‌های مبتنی بر شواهد از نامزدهای QSL، هدف آنها تسریع در جستجوی QSLهای واقعی است.

چای گفت: “نکته مهم در مورد این مواد این است که ما راهی برای پیمایش نقشه پیدا کردیم، به اصطلاح، و نشان دهیم که چه کاری را درست انجام داده ایم.” ما تقریباً مطمئن هستیم که یک QSL کامل در جایی در آن فضای شیمیایی وجود دارد و اکنون می دانیم که چگونه آن را پیدا کنیم.

این کار از سوی DOE، QSC، شورای ملی تحقیقات علمی و فنی و بنیاد سیمونز حمایت شد.

QSC، مرکز ملی تحقیقات اطلاعات کوانتومی DOE، به رهبری ORNL، تحقیقات پیشرفته‌ای را در آزمایشگاه‌های ملی، دانشگاه‌ها و شرکای صنعتی انجام می‌دهد تا بر موانع کلیدی در پایداری حالت کوانتومی، کنترل‌پذیری و در نهایت مقیاس‌پذیری فناوری‌های کوانتومی غلبه کند. محققان QSC در حال طراحی موادی هستند که امکان توپولوژیکی را فراهم می کند محاسبات کوانتومی; استفاده از حسگرهای کوانتومی جدید برای توصیف و تشخیص حالت توپولوژیکی ماده تاریک; و طراحی الگوریتم‌ها و شبیه‌سازی‌های کوانتومی برای درک بهتر مواد کوانتومی، شیمی و نظریه‌های میدان کوانتومی. این نوآوری‌ها QSC را قادر می‌سازد تا پردازش اطلاعات را تسریع کند، موارد غیرقابل اندازه‌گیری را کشف کند و عملکرد کوانتومی را در بین فناوری‌ها بهتر پیش‌بینی کند. برای اطلاعات بیشتر مراجعه کنید https://qscience.org.

UT-Battelle ORNL را برای دفتر علوم DOE، بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده، مدیریت می کند. دفتر علوم DOE برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر مراجعه کنید https://energy.gov/science. – الیزابت روزنتال