این مطالعه منجر به یک کشف باورنکردنی از درهم‌آمیختگی کوانتومی بین میلیاردها میلیارد الکترون در یک ماده حساس کوانتومی یا به عبارت دیگر "یک فلز عجیب" شد.
پژوهش ۱۵ ساله
این پژوهش رفتار الکترونیکی و مغناطیسی یک ترکیب از "فلز عجیب" متشکل از ایتربیوم(ytterbium)، رودیوم(rhodium) و سیلیکون(silicon) را در هنگام نزدیک شدن و عبور از یک انتقال بحرانی در مرز بین دو فاز کوانتومی بررسی کرد.
"کیمیائو سی" فیزیک‌دان نظری دانشگاه رایس و یکی از نویسندگان این تحقیق گفت: این مطالعه قوی‌ترین و مستقیم‌ترین شواهد تا به امروز را در مورد نقش درهم‌آمیختگی در تحقق بخشیدن به حساسیت یا بحران کوانتومی ارائه می‌دهد.
یک نقطه بحرانی کوانتومی در نمودار فاز یک ماده جایی است که در آن گذار فاز پیوسته در صفر مطلق اتفاق می‌افتد. نقطه بحرانی کوانتومی به‌طور معمول زمانی حاصل می‌شود که با فشار افزوده یک گذار فاز دمایی غیر صفر به صفر برده شود که این کار با استفاده از ابزارهایی نظیر فشار، میدان یا داپینگ صورت می‌گیرد. انتقال فاز معمولی در دمای غیر صفر رخ می‌دهد و این زمانی است که افزایش نوسانات حرارتی منجر به تغییر در حالت فیزیکی یک سیستم شود. تحقیقات فیزیک ماده چگال بیش از چند دهه گذشته نشان دهنده یک کلاس جدید از مرحله انتقال به نام فاز کوانتومی انتقال بوده است که در صفر مطلق اتفاق می‌افتد. در غیاب نوسانات حرارتی که باعث گذار فاز معمولی می‌شوند، انتقال فاز کوانتومی با استفاده از نقطه صفر نوسانات کوانتومی مربوط به اصل عدم قطعیت "هایزنبرگ" حاصل می‌شود.
"سی" اظهار داشت: وقتی ما به درگیری یا درهم‌آمیختگی کوانتومی فکر می‌کنیم، به چیزهای کوچک فکر می‌کنیم.
وی ادامه داد: ما آن را با اجرام ماکروسکوپی مرتبط نمی‌کنیم. اما در یک نقطه بحرانی کوانتومی، همه چیز چنان جمع است که ما این شانس را داریم که حتی در یک نوار نازک فلزی که حاوی میلیاردها میلیارد جرم مکانیکی کوانتومی است، اثرات درهم‌آمیخته شدن را ببینیم.
محققان دانشگاه رایس در کنار دانشمندان دانشگاه فناوری وین برای غلبه بر چندین چالش که این تحقیق با آنها روبرو بود، کار کردند.
محققان دانشگاه وین روشی را ابداع کردند که شامل سنتز مواد بسیار پیچیده برای ساخت نوارهای فوق العاده خالص است که حاوی یک بخش ایتربیوم برای هر دو بخش رودیوم و سیلیکون است.
محققان دانشگاه رایس آزمایش‌هایی با طیف سنجی تراهرتز بر روی این نوارها در دمای فوق‌العاده پایین ۱.۴ کلوین انجام دادند که معادل منفی ۲۷۱ درجه سلسیوس است.
"جونیچیرو کونو" دانشجوی فارغ التحصیل دانشگاه رایس و یکی از محققان این مطالعه گفت: کمتر از ۰/۱ درصد از کل پرتوهای تراهرتز منتقل شده است و سیگنال که تغییر هدایت به عنوان تابعی از فرکانس بود، چند درصد از آن بیشتر بود.
وی افزود: ساعت‌ها طول کشید تا داده‌های قابل اعتماد در هر دما با محاسبات بسیار زیاد به دست آید و این کار برای اثبات وجود مقیاس، لازم بود.
صبر و دقت زیادی برای این مطالعه لازم بود، اما در نهایت نتیجه چشمگیری به دست آمد.
همانطور که "سی" توضیح داد: درهم‌آمیختگی کوانتومی پایه‌ای برای ذخیره و پردازش اطلاعات کوانتومی است.
وی افزود: در عین حال اعتقاد بر این است که بحران کوانتومی باعث تحریک ابررسانایی در دمای بالا می‌شود. بنابراین یافته‌های ما نشان می‌دهد که همان فیزیک پایه –بحران کوانتومی- می‌تواند به یک بستر هم برای اطلاعات کوانتومی و هم ابررسانایی در دمای بالا منجر شود.
این مطالعه در مجله Science منتشر شده است.
