اپتیک و کوانتوم

از نزدیک مانند بسیاری از نقاط رنگی به نظر می رسد، اما از فاصله دور می توان تصویر پیچیده ای را مشاهده کرد که جزئیات زیادی دارد: با استفاده از تکنیک پوینتیلیسم، در سال 1886 جورج سورات شاهکار "یک بعد از ظهر یکشنبه در جزیره لا گرانده جات" را خلق کرد. به روشی مشابه، یوجین دملر و همکارانش در ETH زوریخ، سیستم‌های کوانتومی پیچیده‌ای را که از ذرات متقابل زیادی ساخته شده‌اند، مطالعه می‌کنند. در مورد آنها، نقطه ها با کشیدن قلم مو ایجاد نمی شوند، بلکه با نمایان کردن اتم های منفرد در آزمایشگاه ایجاد می شوند. گروه دملر به همراه همکارانش در هاروارد و پرینستون اکنون از روش جدید - که آن را "پوینتیلیسم کوانتومی" می نامند - برای نگاه دقیق تر به نوع خاصی از مغناطیس استفاده کرده اند. محققان به تازگی نتایج خود را در دو مقاله در مجله Nature منتشر کرده اند.

دملر می گوید: "این مطالعات نشان دهنده یک تغییر پارادایم در درک ما از چنین پدیده های کوانتومی مغناطیسی است. تا به حال، ما قادر به مطالعه دقیق آنها نبودیم." همه چیز حدود دو سال پیش در ETH شروع شد. گروه Ataç Imamoğlu  به طور تجربی مواد خاصی را با یک شبکه کریستالی مثلثی (مواد مویر ساخته شده از دی‌کالکوژنیدهای فلزات واسطه) بررسی کردند. هنگامی که دملر و پسادکترش ایوان موررا داده‌های امام اوغلو را تجزیه و تحلیل کردند، با ویژگی خاصی مواجه شدند که نوعی مغناطیس را نشان می‌داد که قبلاً فقط به صورت تئوری پیش‌بینی شده بود.

موررا توضیح می‌دهد: «در این مغناطیس جنبشی، چند الکترون که در داخل شبکه کریستالی حرکت می‌کنند، می‌توانند ماده را مغناطیسی کنند. در آزمایش امام اوغلو، این اثر، که در بین متخصصان به عنوان مکانیسم ناگائوکا شناخته می‌شود، برای اولین بار در یک جامد با اندازه‌گیری حساسیت مغناطیسی، یعنی میزان واکنش شدید ماده به یک میدان مغناطیسی خارجی، قابل تشخیص است. دملر می‌گوید: "این تشخیص بر اساس شواهد بسیار قوی انجام شد. اما برای اثبات مستقیم، باید وضعیت الکترون‌ها - موقعیت و جهت اسپین آنها - را به طور همزمان در چندین مکان درون ماده اندازه‌گیری کرد." با این حال، در یک جامد، این با روش های معمولی امکان پذیر نیست. حداکثر، محققان می توانند از پراش پرتو ایکس یا نوترون برای یافتن چگونگی ارتباط اسپین های الکترون ها با یکدیگر در دو موقعیت استفاده کنند - به اصطلاح همبستگی اسپین. همبستگی بین آرایش های پیچیده اسپین و الکترون های اضافی یا از دست رفته را نمی توان به این روش اندازه گیری کرد.

برای اینکه همچنان فرآیندهای پیچیده مکانیسم ناگائوکا را که دملر و موررا با استفاده از یک مدل محاسبه کرده بودند قابل مشاهده کنند، آنها به همکاران خود در هاروارد و پرینستون مراجعه کردند. در آنجا، تیم‌های تحقیقاتی به رهبری Markus Greiner و Waseem Bakr شبیه‌سازهای کوانتومی ساخته‌اند که می‌توان از آن برای بازسازی دقیق شرایط درون یک جامد استفاده کرد. به جای حرکت الکترون ها در داخل شبکه ای ساخته شده از اتم، در چنین شبیه سازهایی، محققان آمریکایی از اتم های بسیار سردی استفاده می کنند که در داخل یک شبکه نوری ساخته شده از پرتوهای نور به دام افتاده اند. با این حال، معادلات ریاضی که الکترون‌های داخل جامد و اتم‌های داخل شبکه نوری را توصیف می‌کنند، تقریباً یکسان هستند.

با استفاده از یک میکروسکوپ بزرگ‌نمایی قوی، گروه‌های گرینر و بکر توانستند نه تنها موقعیت تک تک اتم‌ها، بلکه جهت اسپین آنها را نیز مشخص کنند. آنها اطلاعات به‌دست‌آمده از این عکس‌های فوری از سیستم کوانتومی را به گرافیک‌های رنگی ترجمه کردند که می‌توان آن را با تصاویر پوینتیلیست نظری مقایسه کرد. برای مثال، دملر و همکارانش از نظر تئوری محاسبه کرده بودند که چگونه یک الکترون اضافی در مکانیسم ناگائوکا با یک الکترون دیگر با اسپین مخالف یک جفت تشکیل می دهد و سپس در شبکه مثلثی ماده به صورت دوبلون حرکت می کند. طبق پیش بینی دملر و موررا، آن دوبلون باید توسط ابری از الکترون ها احاطه شود که جهت اسپین آنها موازی یا فرومغناطیسی است. چنین ابری به عنوان قطب مغناطیسی نیز شناخته می شود. این دقیقاً همان چیزی است که محققان آمریکایی در آزمایشات خود مشاهده کردند.

این نظم ضد فرومغناطیسی (یا به‌طور دقیق‌تر: همبستگی‌های ضد فرومغناطیسی) قبلاً به‌طور غیرمستقیم در آزمایش حالت جامد در دانشگاه کرنل در ایالات متحده در شبیه‌ساز کوانتومی شناسایی شده بود، اکنون مستقیماً قابل مشاهده است. دملر می گوید: "برای اولین بار، ما یک معمای فیزیک را با استفاده از آزمایشات بر روی جامد واقعی و همچنین در شبیه ساز کوانتومی حل کرده ایم. کار نظری ما چسبی است که همه چیز را در کنار هم نگه می دارد." او مطمئن است که روش او در آینده برای حل مشکلات دیگر نیز مفید خواهد بود. به عنوان مثال، مکانیسمی که باعث تشکیل ابر قطبی مغناطیسی می شود نیز می تواند نقش مهمی در ابررساناهای دمای بالا داشته باشد.

More information: Martin Lebrat et al, Observation of Nagaoka polarons in a Fermi–Hubbard quantum simulator, Nature (2024)