پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا، ایرواین موفق به کشف نوعی جدید از ماده کوانتومی شده‌اند؛ فازی نوظهور که درون یک ماده پیشرفته شکل می‌گیرد و می‌تواند افق‌های تازه‌ای را برای ساخت رایانه‌های خودشارژ و مقاوم در برابر تابش‌های فضایی بگشاید.

به گزارش phys.org یک فاز جدید از ماده است، همان‌گونه که آب می‌تواند در قالب مایع، یخ یا بخار وجود داشته باشد، این‌گونه کشف جدید را لوئیس آ. خاورگی، استاد فیزیک و اخترشناسی در دانشگاه UC Irvine و نویسنده مسئول این پژوهش توصیف می‌کند. نتایج این تحقیق در ژورنال معتبر Physical Review Letters منتشر شده است.

به گفته خاورگی این فاز پیش‌تر تنها در سطح نظری پیش‌بینی شده بود و برای نخستین‌بار در این پژوهش به‌طور تجربی اندازه‌گیری و مشاهده شده است.

ماده‌ای کوانتومی که می‌درخشد

این فاز جدید همانند یک مایع کوانتومی متشکل از الکترون‌ها و پادذره‌های آنها موسوم به «حفره‌ها» (holes) است که به‌صورت خودبه‌خود با یکدیگر جفت می‌شوند و حالتی برانگیخته به نام اکسایتون (exciton) تشکیل می‌دهند. نکته غیرمعمول اینجاست که در این حالت، اسپین الکترون و حفره‌ها در یک جهت می‌چرخد؛ ویژگی‌ای که این فاز را از تمام حالت‌های ماده‌ی شناخته‌شده متمایز می‌کند.

خاورگی می‌گوید: این ماده اگر قابل‌لمس بود، به شکل نوری درخشان و با فرکانس بالا می‌درخشید.

تولید و آشکارسازی در شرایط فوق‌العاده

این حالت کوانتومی جدید در ماده‌ای به نام پنتاتلورید هافنیوم (HfTe₅) شکل گرفته که توسط جینیو لیو پژوهشگر فوق‌دکتری در آزمایشگاه خاورگی در UC Irvine طراحی و ساخته شده است. لیو همچنین نویسنده نخست مقاله منتشرشده محسوب می‌شود.

تیم تحقیقاتی برای آشکارسازی این فاز، از میدان مغناطیسی بسیار قوی با شدت ۷۰ تسلا استفاده کرده‌اند. (در مقایسه، میدان مغناطیسی یک آهنربای یخچالی قوی تنها حدود ۰٫۱ تسلاست.) این آزمایش‌ها با همکاری آزمایشگاه ملی لوس‌آلاموس (LANL) در نیومکزیکو انجام شده است.

خاورگی در توضیح روند کشف می‌گوید: وقتی میدان مغناطیسی را به ماده اعمال کردیم، ناگهان رسانایی الکتریکی آن به‌شدت افت کرد، که نشانه‌ای از ورود ماده به این حالت عجیب و ناشناخته بود.

آینده‌ای نو برای فناوری‌های مقاوم و کم‌مصرف

یکی از مهم‌ترین دستاورد‌های این کشف، توانایی بالقوه آن برای توسعه ابزار‌هایی است که به‌جای جریان الکتریکی، اطلاعات را از طریق اسپین (چرخش ذرات) منتقل می‌کنند. این امر می‌تواند به تولید نسل جدیدی از فناوری‌های بسیار کم‌مصرف در حوزه الکترونیک اسپینی (spintronics) و دستگاه‌های کوانتومی منجر شود.

افزون بر این برخلاف بسیاری از مواد متداول در الکترونیک، این حالت کوانتومی نسبت به انواع تابش‌های رادیواکتیو مقاوم است؛ ویژگی‌ای که آن را برای استفاده در فضا ایدئال می‌سازد.

خاورگی تأکید می‌کند: این ماده می‌تواند در مأموریت‌های فضایی مفید باشد. اگر به دنبال رایانه‌هایی هستیم که در محیط سخت فضا دوام بیاورند، این یک راه‌حل است.

او به مأموریت‌های سرنشین‌دار به مریخ توسط شرکت‌هایی مانند SpaceX اشاره می‌کند و می‌گوید که برای تحقق چنین مأموریت‌هایی، رایانه‌هایی مقاوم در برابر تابش برای سفر‌های طولانی‌مدت ضروری‌اند.

تیمی متشکل از متخصصان برجسته

ساخت، شناسایی و توسعه دستگاه‌های اندازه‌گیری از این ماده در UC Irvine انجام شده و افزون بر لیو دانشجویان تحصیلات تکمیلی رابرت ولسر و تیموتی مک‌سارلی و پژوهشگر مقطع کارشناسی تریت هو در آن نقش داشته‌اند.

مدل‌سازی نظری و تحلیل داده‌ها توسط شیزنگ لین، وارشا سوبرا‌مانیان و آواد ساکسنا در LANL انجام شده و آزمایش‌های میدان مغناطیسی بالا نیز با همکاری لورل وینتر و مایکل پتز در LANL و دیوید گراف در آزمایشگاه ملی میدان مغناطیسی بالا در فلوریدا صورت گرفته است.