تیمی از محققان دانشگاه رایس اولین مشاهده مستقیم یک پدیده کوانتومی شگفت‌انگیز را گزارش کردند که بیش از نیم قرن پیش پیش‌بینی شده بود و مسیر‌هایی را برای کاربرد‌های انقلابی در محاسبات کوانتومی، ارتباطات و سنجش باز کرد.

این پدیده که به عنوان انتقال فاز ابرتابشی (SRPT) شناخته می‌شود، زمانی رخ می‌دهد که دو گروه از ذرات کوانتومی شروع به نوسان در یک روش هماهنگ و جمعی بدون هیچ محرک خارجی می‌کنند و حالت جدیدی از ماده را تشکیل می‌دهند. بر اساس مطالعه منتشر شده در Science Advances، این کشف در کریستالی متشکل از اربیوم، آهن و اکسیژن انجام شد که تا منفی ۴۵۷ فارنهایت خنک شد و در معرض یک میدان مغناطیسی قدرتمند تا ۷ تسلا (بیش از ۱۰۰۰۰۰ برابر قوی‌تر از میدان مغناطیسی زمین) بود.

داسوم کیم، دانشجوی دکترای رایس در برنامه فارغ التحصیل فیزیک کاربردی که نویسنده اصلی این مطالعه است، گفت: «در ابتدا، SRPT ناشی از برهمکنش‌های بین نوسانات خلاء کوانتومی - میدان‌های نور کوانتومی که به طور طبیعی حتی در فضای کاملا خالی وجود دارند - و نوسانات ماده ایجاد می‌شود.» با این حال، در کارمان، ما این انتقال را با جفت کردن دو زیرسیستم مغناطیسی متمایز درک کردیم - نوسانات اسپین یون‌های آهن و یون‌های اربیوم در کریستال.

اسپین قطب‌های مغناطیسی الکترون‌ها یا ذرات دیگر را توصیف می‌کند و می‌توان آن را به عنوان یک فلش کوچک متصل به هر ذره تصور کرد که دائماً می‌چرخد و در جهت معینی قرار می‌گیرد. هنگامی که اسپین‌ها در یک راستا قرار می‌گیرند، الگو‌های مغناطیسی در سراسر یک ماده ایجاد می‌کنند. هنگامی که الگوی چرخش‌ها مانند یک موج در سراسر ماده موج می‌زند، برانگیختگی جمعی حاصل به عنوان ماگنون شناخته می‌شود.

تا پیش از این، اینکه آیا یک SRPT می‌تواند واقعاً انجام شود یا نه، موضوع بحث بود، زیرا با محدودیتی - که در فیزیک نظری «قضیه ممنوعه رفتن» نامیده می‌شود - در سیستم‌های مبتنی بر نور وجود دارد. با قرار دادن یک SRPT در یک کریستال مغناطیسی بر اساس برهمکنش بین دو زیرسیستم اسپین، محققان توانستند این مانع را دور بزنند و یک نسخه مغناطیسی از این پدیده ایجاد کنند. به طور خاص، مگنون‌های یون آهن نقشی را ایفا می‌کنند که به طور سنتی به نوسانات خلاء نسبت داده می‌شود، و اسپین‌های یون‌های اربیوم نوسانات ماده را نشان می‌دهند.

محققان با استفاده از تکنیک‌های طیف‌سنجی پیشرفته، نشانه‌های غیرقابل انکار یک SRPT را مشاهده کردند که سیگنال انرژی یک حالت چرخشی ناپدید می‌شد و دیگری تغییر یا پیچ خوردگی واضح را نشان می‌داد. این اثر انگشت‌های طیفی دقیقاً مطابق با آنچه تئوری برای ورود به فاز ابرتابشی پیش‌بینی می‌کند، مطابقت دارد و به تیم اطمینان زیادی می‌دهد که واقعاً حالتی را که مدت‌ها به دنبال آن بوده‌اند، ایجاد کرده‌اند.

کیم گفت: ما یک جفت بسیار قوی بین این دو سیستم چرخشی ایجاد کردیم و یک SRPT را با موفقیت مشاهده کردیم و بر محدودیت‌های تجربی قبلی غلبه کردیم.

محققان نه تنها به این دلیل که پیش‌بینی فیزیک ۵۰ ساله تأیید شده است، بلکه به دلیل اینکه این پیش‌بینی برای فناوری کوانتومی چه معنایی دارد، هیجان‌زده هستند. حالت‌های کوانتومی جمعی در SRPT دارای ویژگی‌های منحصربه‌فردی هستند که می‌توان از آنها برای فناوری‌های کوانتومی نسل بعدی استفاده کرد.

کیم گفت: نزدیک به نقطه بحرانی کوانتومی این انتقال، سیستم به طور طبیعی حالت‌های فشرده کوانتومی را تثبیت می‌کند - جایی که نویز کوانتومی به شدت کاهش می‌یابد - و دقت اندازه گیری را تا حد زیادی افزایش می‌دهد. " به طور کلی، این بینش می‌تواند حسگر‌های کوانتومی و فن‌آوری‌های محاسباتی را متحول کند و وفاداری، حساسیت و عملکرد آنها را به طور قابل توجهی ارتقا دهد.»

سهیل داسگوپتا، دانشجوی فارغ التحصیل رایس که با کادن هازارد، دانشیار فیزیک و نجوم کار می‌کند، به صورت نظری SRPT را مدلسازی کرد و بر اساس مدلی ساخته شد که توسط همکار و نویسنده همکار آنها موتوآکی بامبا، استاد دانشگاه ملی یوکوهاما، ساخته شد.

داسگوپتا گفت: "اگرچه مدل پایه ریاضی قبلاً توسط موتوآکی ارائه شده بود، ما نیاز داشتیم برخی از خواص مغناطیسی خاص ماده را برای به دست آوردن نتایج دقیق در نظر بگیریم. وقتی نظریه شما با داده‌های تجربی مطابقت دارد - که به ندرت اتفاق می‌افتد - این بهترین احساس برای یک دانشمند است. "

هازارد گفت این دستاورد نشان می‌دهد که مفاهیم اپتیک کوانتومی را می‌توان به مواد جامد ترجمه کرد.

هازارد گفت: این راه جدیدی را برای ایجاد و کنترل فاز‌های ماده با استفاده از ایده‌های الکترودینامیک کوانتومی حفره باز می‌کند.

علاوه بر این، کریستال مورد استفاده در این مطالعه نمونه‌ای از کلاس وسیع‌تری از مواد است، به این معنی که این تحقیق راه را برای کاوش پدیده‌های کوانتومی در مواد دیگر با اجزای مغناطیسی مشابه هموار می‌کند.

Junichiro Kono، پروفسور Karl F. Hasselmann، پروفسور مهندسی برق و مهندسی مواد و پروفسور مهندسی علم کامپیوتر، می‌گوید: «نمایش شکلی از SRPT که به طور کامل با جفت کردن دو نوسانات ماده داخلی هدایت می‌شود، یک پیشرفت مهم در فیزیک کوانتومی ایجاد می‌کند و چارچوب جدیدی را برای درک و بهره‌برداری از فعل و انفعالات کوانتومی درونی در مواد ایجاد می‌کند. نویسنده مسئول مطالعه این تحقیق توسط دفتر تحقیقات ارتش ایالات متحده (W۹۱۱NF۲۱۱۰۱۵۷)، بنیاد گوردون و بتی مور (۱۱۵۲۰)، بنیاد رابرت‌ای. (JPJSJRP۲۰۲۲۱۲۰۲، JP۲۴K۲۱۵۲۶)، بنیاد تحقیقات علوم و فناوری بینایی، وزارت انرژی ایالات متحده (DE-AC۰۲-۰۷CH۱۱۳۵۸) و بنیاد ملی علوم چین (۱۲۳۷۴۱۱۶). مسئولیت محتوا صرفاً بر عهده نویسندگان است و لزوماً بیانگر دیدگاه‌های رسمی مؤسسات تأمین مالی نیست.