اپتیک و کوانتوم

پیشرفت‌های اخیر توسط محققان آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (آزمایشگاه برکلی)، جوزف اورنشتاین، یو سان، جی یائو و فانگهائو منگ، پتانسیل بسته‌های موج ماگنون - برانگیختگی‌های جمعی اسپین الکترون - را برای انتقال اطلاعات کوانتومی در فواصل قابل‌توجه در یک کلاس از موادی که به عنوان آنتی فرومغناطیس شناخته می شوند، نشان داده است. کار آنها درک متعارف را در مورد چگونگی انتشار چنین تحریکاتی در آنتی فرومغناطیس ها بهبود می بخشد. عصر آینده فناوری‌های کوانتومی - رایانه‌ها، حسگرها و سایر دستگاه‌ها - بستگی به انتقال اطلاعات کوانتومی دارد.

اورنشتاین و همکارانش امیدوارند با کشف خود، که در مقاله ای در Nature Physics منتشر شده است، یک قدم به این اهداف نزدیکتر شده باشند. تحقیقات آنها بخشی از تلاش‌های گسترده‌تر در آزمایشگاه برکلی برای پیشبرد اطلاعات کوانتومی با کار در اکوسیستم تحقیقات کوانتومی، از تئوری گرفته تا کاربرد، برای ساخت و آزمایش دستگاه‌های مبتنی بر کوانتوم و توسعه نرم‌افزار و الگوریتم‌ها است. اسپین های الکترون مسئول مغناطش در مواد هستند و می توان آنها را به عنوان آهنرباهای میله ای کوچک در نظر گرفت. هنگامی که اسپین‌های همسایه در جهت‌های متناوب قرار می‌گیرند، نتیجه نظم آنتی فرومغناطیسی است و این آرایش هیچ مغناطش خالصی ایجاد نمی‌کند.

گروه اورنشتاین برای درک اینکه چگونه بسته‌های موج مگنون در یک ماده آنتی فرومغناطیسی حرکت می‌کنند، از جفت پالس‌های لیزری برای برهم زدن نظم آنتی فرومغناطیسی در یک مکان در حالی که در مکان دیگر کاوش می‌کردند، استفاده کردند و عکس‌های فوری از انتشار آن‌ها را به دست آوردند. این تصاویر نشان می‌دهد که بسته‌های موج ماگنون در همه جهات منتشر می‌شوند، مانند موج‌هایی که روی یک حوض از یک سنگریزه افتاده است. تیم آزمایشگاه برکلی همچنین نشان داد که بسته‌های موج مگنون در آنتی فرومغناطیس CrSBr (برومید سولفید کروم) سریع‌تر و در فواصل طولانی‌تر از آنچه مدل‌های موجود پیش‌بینی می‌کنند منتشر می‌شوند. مدل‌ها فرض می‌کنند که هر الکترون فقط با همسایگان خود کوپل می‌شود. قیاس سیستمی از کره های متصل به همسایگان نزدیک توسط فنر است. جابجایی یک کره از موقعیت مطلوب خود موجی از جابجایی ایجاد می کند که با زمان گسترش می یابد.

اورنشتاین گفت: "با این حال، به یاد بیاورید که هر الکترون در حال چرخش مانند یک آهنربای میله ای کوچک است. اگر تصور کنیم که کره ها را با آهنرباهای میله ای ریز که نشان دهنده الکترون های در حال چرخش هستند جایگزین کنیم، تصویر کاملاً تغییر می کند." اکنون، به‌جای برهمکنش های موضعی، هر میله آهن‌ربایی در سراسر سیستم از طریق همان برهمکنش های دوربردی با یکدیگر جفت می‌شوند.

More information: Yue Sun et al, Dipolar spin wave packet transport in a van der Waals antiferromagnet, Nature Physics (2024)