سواء كانت مغناطيسات أو موصلات فائقة: المواد معروفة بخصائصها المختلفة. ومع ذلك ، قد تتغير هذه الخصائص تلقائيًا في ظل الظروف القاسية. اكتشف الباحثون في Technische Universität Dresden (TUD) و Technische Universität München (TUM) نوعًا جديدًا تمامًا من مثل هذه التحولات الطورية. إنها تعرض ظاهرة التشابك الكمي التي تنطوي على العديد من الذرات ، والتي تمت ملاحظتها سابقًا فقط في عالم قليل من الذرات.
نُشرت النتائج مؤخرًا في المجلة العلمية نيتشر ("ظهور انتقالات الطور الكمومي المتوسط الحجم في مغناطيس حديدي").
الفراء الجديد للقط الكمومي
في الفيزياء ، تعد قطة شرودينجر قصة رمزية لاثنين من أكثر التأثيرات المذهلة لميكانيكا الكم: التشابك والتراكب. لاحظ باحثون من دريسدن وميونيخ هذه السلوكيات على نطاق أوسع بكثير من تلك الخاصة بأصغر الجسيمات. حتى الآن ، من المعروف أن المواد التي تعرض خصائص مثل المغناطيسية تحتوي على ما يسمى بالمجالات - الجزر التي تكون فيها خصائص المواد متجانسة إما من نوع واحد أو من نوع مختلف (تخيل أنها إما سوداء أو بيضاء ، على سبيل المثال).
بالنظر إلى فلوريد الليثيوم هولميوم (LiHoF4) ، اكتشف الفيزيائيون الآن تحولًا جديدًا تمامًا في الطور ، حيث تُظهر المجالات بشكل مدهش ميزات ميكانيكا الكم ، مما يؤدي إلى تشابك خصائصها (كونها سوداء وبيضاء في نفس الوقت).
يعلق ماتياس فويتا ، رئيس فيزياء الحالة الصلبة النظرية في TUD: "أصبح لقطتنا الكمومية الآن فروًا جديدًا لأننا اكتشفنا انتقالًا جديدًا لمرحلة الكم في LiHoF4 والذي لم يكن معروفًا من قبل بوجوده".
انتقالات المرحلة والتشابك
يمكننا بسهولة ملاحظة الخصائص المتغيرة تلقائيًا للمادة إذا نظرنا إلى الماء: عند 100 درجة مئوية يتبخر إلى غاز ، عند درجة صفر مئوية يتجمد في الجليد. في كلتا الحالتين ، تتشكل هذه الحالات الجديدة للمادة كنتيجة لمرحلة انتقالية حيث تقوم جزيئات الماء بإعادة ترتيب نفسها ، وبالتالي تغيير خصائص المادة.
تظهر خصائص مثل المغناطيسية أو الموصلية الفائقة نتيجة للإلكترونات التي تمر بمرحلة انتقالية في البلورات. بالنسبة لتحولات الطور عند درجات حرارة تقترب من الصفر المطلق عند -273.15 درجة مئوية ، فإن التأثيرات الميكانيكية الكمومية مثل التشابك تلعب دورًا ، ويتحدث المرء عن انتقالات الطور الكمومي.
"على الرغم من وجود أكثر من 30 عامًا من الأبحاث المكثفة المخصصة لانتقالات الطور في المواد الكمومية ، فقد افترضنا سابقًا أن ظاهرة التشابك لعبت دورًا فقط على نطاق مجهري ، حيث تتضمن فقط عددًا قليلاً من الذرات في كل مرة ،" يوضح كريستيان بفليديرر ، أستاذ طوبولوجيا الأنظمة المترابطة في TUM.
يعتبر التشابك الكمي أحد أكثر الظواهر المذهلة في الفيزياء ، حيث توجد الجسيمات الكمومية المتشابكة في حالة تراكب مشتركة تسمح عادةً بخصائص حصرية متبادلة (مثل الأسود والأبيض) في نفس الوقت. كقاعدة عامة ، لا تنطبق قوانين ميكانيكا الكم إلا على الجسيمات المجهرية.
نجح فريق البحث من ميونيخ ودريسدن الآن في ملاحظة آثار التشابك الكمومي على نطاق أوسع بكثير ، أي تأثير آلاف الذرات. لهذا ، اختاروا العمل مع المركب المعروف LiHoF4.
تتيح العينات الكروية قياسات دقيقة
في درجات حرارة منخفضة جدًا ، يعمل LiHoF4 كمغناطيس حديدي حيث تشير جميع اللحظات المغناطيسية تلقائيًا في نفس الاتجاه. إذا قمت بعد ذلك بتطبيق مجال مغناطيسي رأسيًا تمامًا على الاتجاه المغناطيسي المفضل ، فستغير اللحظات المغناطيسية اتجاهها ، وهو ما يُعرف باسم التقلبات. كلما زادت شدة المجال المغناطيسي ، أصبحت هذه التقلبات أقوى ، حتى تختفي المغناطيسية الحديدية تمامًا في مرحلة انتقالية كمومية. هذا يؤدي إلى تشابك اللحظات المغناطيسية المجاورة.
"إذا رفعت عينة LiHoF4 إلى مغناطيس قوي جدًا ، فستتوقف فجأة عن أن تكون مغناطيسية تلقائيًا. هذا معروف منذ 25 عامًا ، "يلخص فويتا.
الجديد هو ما يحدث عندما تغير اتجاه المجال المغناطيسي. يوضح بفلديرر: "اكتشفنا أن انتقال الطور الكمومي مستمر في الحدوث ، بينما كان يعتقد سابقًا أنه حتى أصغر إمالة للمجال المغناطيسي ستثبطه على الفور".
ومع ذلك ، في ظل هذه الظروف ، ليست لحظات مغناطيسية فردية ، بل مناطق مغناطيسية واسعة النطاق ، ما يسمى بالمجالات المغناطيسية الحديدية ، التي تخضع لتحولات الطور الكمومي هذه. تشكل المجالات جزر كاملة من اللحظات المغناطيسية التي تشير في نفس الاتجاه.
"لقد استخدمنا عينات كروية لقياساتنا الدقيقة. وهذا ما مكننا من دراسة السلوك بدقة عند حدوث تغييرات طفيفة في اتجاه المجال المغناطيسي ، "يضيف أندرياس ويندل ، الذي أجرى التجارب كجزء من أطروحة الدكتوراه.
من الفيزياء الأساسية إلى التطبيقات
يوضح فويتا: "لقد اكتشفنا نوعًا جديدًا تمامًا من انتقالات الطور الكمومي حيث يحدث التشابك على نطاق عدة آلاف من الذرات بدلاً من مجرد عالم صغير لعدد قليل منها فقط". "إذا تخيلت المجالات المغناطيسية كنمط أبيض وأسود ، فإن انتقال الطور الجديد يؤدي إما إلى أن تصبح المناطق البيضاء أو السوداء صغيرة جدًا ، أي إنشاء نمط كمي ، أو تجنب الذوبان تمامًا."
يشرح النموذج النظري المطور حديثًا بنجاح البيانات التي تم الحصول عليها من التجارب. توضح Heike Eisenlohr ، التي أجرت الحسابات كجزء من أطروحة الدكتوراه الخاصة بها: "من أجل تحليلنا ، قمنا بتعميم النماذج المجهرية الموجودة وأخذنا أيضًا في الاعتبار ردود الفعل من المجالات المغناطيسية الحديدية الكبيرة على الخصائص المجهرية".
يعد اكتشاف انتقالات المرحلة الكمومية الجديدة أمرًا مهمًا كأساس وإطار مرجعي عام للبحث في الظواهر الكمومية في المواد ، وكذلك للتطبيقات الجديدة.
يقول فويتا: "يتم تطبيق التشابك الكمي واستخدامه في تقنيات مثل أجهزة الاستشعار الكمومية وأجهزة الكمبيوتر الكمومية ، من بين أشياء أخرى". يضيف Pfleiderer: "عملنا في مجال البحث الأساسي ، والذي ، مع ذلك ، يمكن أن يكون له تأثير مباشر على تطوير التطبيقات العملية ، إذا كنت تستخدم خصائص المواد بطريقة مسيطر عليها."
المصدر