علماء يكتشفون أمرًا جديدًا قد يسهم في تقدم الحواسيب الكمومية

اكتشف علماء في وزارة الطاقة الأمريكية ومختبر لورنس بيركلي الوطني نتائج غير متوقعة قد تسهم في تقدم مجال الحواسيب الكمومية والموصلات الفائقة للحرارة.

نشرت الدراسة في مجلة Nature Physics.

كان الفريق أول من يلتقط صورة واضحة لجزيئات إلكترونية تتكون من سائل كمومي مغناطيسي، وهو حالة مغناطيسية لا يزال العلماء يعرفون القليل عنها.

مايك كرومي هو قائد الدراسة وعالم أول في مختبر لورنس بيركلي الوطني ومحاضر في جامعة كاليفورنيا.

سونغ-كوان مو هو مؤلف مشارك وعالم في مختبر بيركلي المتقدم للضوء.

“السبينونات هي مثل الجزيئات الشبح. إنها مثل قدم كبير في فيزياء الكم — يقول الناس إنهم رأوها، لكن من الصعب إثبات وجودها،” قال مو. “باستخدام طريقةنا، قدمنا بعض أفضل الأدلة حتى الآن.”

كشف السبينونات

تتحرك السبينونات بحرية وتحمل الحرارة والسبين في سائل كمومي مغناطيسي. ومع ذلك، لا تملك أي شحنة كهربائية. اعتمد الباحثون تقليديًا على تقنيات تبحث عن توقيعات الحرارة من أجل كشف السبينونات.

تمكن الفريق من إظهار كيفية تمييز السبينونات في السوائل الكمومية المغناطيسية عن طريق التصوير المباشر لتوزيعها في المادة.

بدأ الفريق الدراسة bằng نمو عينات من التانتالوم ثنائي السيلينيوم بسمك ثلاثة ذرات. تنتمي هذه المادة إلى فئة من المواد تسمى ثنائي الكالكوجينيدات للمعادن الانتقالية، وكانت هذه مفيدة لأن الفريق يمتلك خبرة في التنميط الجزيئي، وهو تقنية لتركيب بلورات رقيقة من عناصرها المكونة.

وصف الفريق الأفلام الرقيقة باستخدام تقنية تستخدم الأشعة السينية المتولدة في مختبر بيركلي المتقدم للضوء. تسمى هذه التقنية مطياف الانبعاث الضوئي المحدد الزاوية.

استخدم الباحثون في مختبر كرومي تقنية أخرى تسمى مجهر المسح النفقي لتحقiq عينة التانتالوم ثنائي السيلينيوم بالإلكترونات. وشمل ذلك مؤلفي البداية واي روان، وهو باحث ما بعد الدكتوراه في وقت البحث، ويي تشين، وهو طالب دراسات عليا في جامعة كاليفورنيا في ذلك الوقت.

وجد الباحثون نتائج غير متوقعة بعد جمع الصور بواسطة مطياف المسح النفقي، وهو تقنية لقياس كيفية ترتيب الجزيئات عند طاقة معينة. وجد الفريق طبقة من الموجات بطول موجي أكبر من نانومتر واحد تغطي سطح المادة.

“الأطوال الموجية التي رأيناها لم تتطابق مع أي سلوك معروف للمادة،” قال كرومي. “كنا نشك في الأمر لفترة طويلة. ما الذي يمكن أن يسبب مثل هذه التغييرات الموجية الطويلة في البلورة؟ قمنا بإقصاء التوضيحات التقليدية واحدة تلو الأخرى. لم نكن نعرف أن هذا هو توقيع الجزيئات الشبح السبينونية.”

بعد الاتصال بشركة تعاونية نظرية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وجد الباحثون أن الإلكترون يتفكك إلى جزأين عندما يتم حقنه في سائل كمومي مغناطيسي من طرف مجهر المسح النفقي. وهذان الجزآن هما السبينونات والشحنات، ونتيجة لطريقة تفاعل السبين والشحنة في سائل كمومي مغناطيسي. بينما تحمل الجزيئات الشبح السبينونية السبين بشكل منفصل، تحمل الشحنات الشحنة الكهربائية بشكل منفصل.

“تجربة خارج الجسد”

أظهرت صور مجهر المسح النفقي والمطياف أن الشحنات تتجمد في مكانها وتشكل ما يسميه العلماء موجة كثافة شحنة نجم داود. وفي نفس الوقت، تختبر السبينونات “تجربة خارج الجسد” عندما تفصل عن الشحنات وتتحرك بحرية في المادة.

“هذا غير عادي لأن الإلكترونات في مادة تقليدية تحمل السبين والشحنة معًا في جزيئة واحدة عندما تتحرك،” قال كرومي. “لا تفصل عادة بهذه الطريقة الغريبة.”

كما يقول كرومي إن السوائل الكمومية المغناطيسية قد تشكل أساسًا للبتات الكمومية القوية، أو البتات الكمومية، والتي هي الحجارة الأساسية لبناء الحواسيب الكمومية. تعتمد الحوسبة التقليدية على بت يرمز إلى المعلومات على أنها صفر أو واحد، ولكن البتات الكمومية يمكن أن تحتوي على كلا القيم في نفس الوقت. هذا يؤدي إلى حسابات أسرع، وبالنسبة لفهم سلوك السبينونات والشحنات في السوائل الكمومية المغناطيسية، يمكن للعلماء استخدامها لتقدم الحوسبة الجيل القادم.

يقول العلماء أيضًا أنه من خلال الحصول على رؤية أعمق في السوائل الكمومية المغناطيسية، يمكنهم أن تكون بمثابة مقدمة لل超conductivity الغريبة، لذا سيقوم كرومي باختبار التنبؤ في مختبر بيركلي المتقدم للضوء.

“جزء من جمال هذا الموضوع هو أن جميع التفاعلات المعقدة داخل سائل كمومي مغناطيسي تجمع بطريقة ما لتشكيل جزيئة شبح بسيطة تتحرك ببساطة داخل البلورة،” قال. “رؤية هذا السلوك كان مفاجئًا، خاصة لأننا لم نكن نبحث عنه.”