شبیه‌سازی جفت‌شدگی اسپین-مدار با فرمیون های فراسرد !

[∆ MeRzaD ∆]

دو گروه مستقل از فیزیکدانان برای اولین بار از اتم های فرمیونی فراسرد برای شبیه سازی «جفت شدگی اسپین-مدار» استفاده می کنند. برهمکنش اسپین-مدار، برهمکنشی است که نقشی مهم در ویژگی های الکترونیکی مواد جامد دارد. هر دو آزمایش با تابش پرتوهای لیزر به اتم ها انجام گرفت، این کار تکانه اتم ها را تغییر می دهد. میزان این تغییر به اسپین ذاتی آن ها وابسته است. به این خاطر که برهمکنش بین اتم ها در چنین شبیه سازی با دقت بالایی قابل ملاحظه است؛ این کار می تواند در طیف وسیعی از پدیده های فیزیکی همانند مغناطیس، عایق های توپولوژیکی و فرمیون های مایورانا کاربرد داشته باشد.

جفت شدگی اسپین-مدار، برهمکنش میان اسپین ذاتی الکترونی در ماده را با میدان مغناطیسی القا شده به خاطر حرکت الکترون نسبت به یون های حول آن توصیف می کند. علاوه بر نقش مهم آن در ویژگی مغناطیسی مواد، جفت شدگی اسپین-مدار بر کارایی وسایل «اسپینترونیکی» نیز تاثیر می گذارد. وسایل اسپینترونیکی به جای بار الکترون ها از اسپین آن ها استفاده می کنند و می توانند روزی منجر به تولید رایانه های سریع تر و با بهره‌وری بالاتر انرژی گردند.

شبیه‌سازهای کوانتومی

به خاطر طبیعت بنیادی آن، فیزیکدانان بسیار مشتاقند تا از ابر اتم های ابرسرد برای شبیه سازی جفتدگی سپین-مدار استفاده کنند. این «شبیه سازی های کوانتومی» گاز را در معرض نور لیزر و میدان مغناطیسی می گذارند، در این صورت برهمکنش هایی تولید می شود که مشابه آن برای الکترون های درون یک جامد رخ می دهد. مزیت این شبیه سازی ها این است که بر خلاف جامد، قدرت این برهمکنش ها را براحتی می توان تنظیم کرد و نظریه های فیزیک ماده چگال را آزمود.

 در سال 2011، یان اسپیلمن[1] و همکارانش در موسسه ملی استانداردها و فناوری(NIST) در مریلند اولین گروهی بودند که جفت‌شدگی اسپین-مدار را در ابری از اتم های بوزونی شبیه سازی کردند. اکنون، دو گروه مستقل یکی در چین به سرپرستی هوی ژای[2] از دانشگاه تسینگوآ و ژینگ ژانگ[3] از دانشگاه شانکسی و دیگری در آمریکا به رهبری مارتین زوویرلین[4] و لاورنس چوک[5] از ام.آی.تی روش اسپیلمن را به فرمیون ها تعمیم داده اند. چون الکترون ها فرمیون هستند، کار جدید به فیزیک الکترون بسیار بیشتر مرتبط است.

استفاده از پتاسیوم-40...

گروه چینی با حدود دو میلیون اتم پتاسیوم-40 آغاز کرد که در تله اپتیکی قرار داشتند و سپس آن را تا زیر دمای فرمی آنسامبل گرم کردند. در این وضعیت، تقریبا تمام اتم های گاز در پایین ترین حالت انرژی خود قرار دارند، همانند الکترون های رسانش در فلزات. گروه بر دو حالت انرژی مغناطیسی با فاصله نزدیک تمرکز کرد، این دو حالت برای شبیه سازی اسپین الکترون به کار رفتند: یک حالت متناظر با اسپین بالا و دیگری برای اسپین پایین.

گروه سپس دو رتو لیزر را از جهات مخالف به گاز تاباند. نور لیزر با گذار بین دو حالت اسپینی تشدید می کرد؛ این کار باعث فرایند درآشامی و گسیل پیوسته فوتون ها توسط اتم می شود. چون این فوتون ها تکانه حمل می کنند، اگر اتمی فوتونی جذب کند که در جهتی حرکت می کند و سپس آن را در همان جهت گسیل کند؛ تکانه اتم تغییر نخواهد کرد. با پرتو مخالف می تواند اتم را وادار کرد که فوتون را در خلاف جهت گسیل کند و به این شکل تکانه اتم تغییر کند. این برهمکنش باعث تغییر جهت اسپین اتم می شود و مشابهی یک بعدی از جفت شدگی اسپین-مدار است.

گروه چینی از سامانه خود برای مطالعه چندین جنبه از جفت شدگی اسپین-مدار استفاده کرد. در یکی آزمایش ها، پژوهشگران با حالتی شروع کردند که همه اسپین ها در ابتددا هم جهت بودند. سپس در بازه های زمانی کوتاه(در حدود چند صد میکروثانیه) برهمکنش اسپین-مدار را روشن کردند. آن یافتند که طی فرایندی به نام «ناهمفازی»[6] اسپین ها جهت گیری خود را عوض می کنند. همین امر از فرمیون ها انتظار می رود زیرا اتم هایی با اسپین یکسان نمی توانند تکانه یکسان داشته باشند و بنابراین هر اتم از برهمکنش اسپین-مدار به شکل متفاوتی تاثیر می پذیرد.

درک ناهمفازی به این خاطر مهم است که اثری تعیین کننده بر کاربردهای فناورانه اسپین همانند اسپینترونیک و محاسبات کوانتومی دارد. گروه به اثرات دیگری نیز همچون اثر برهمکنش اسپین-مدار بر توزیع تکانه اتم ها پرداخت.

...و لیتیوم-6

فیکزیدانان ام.آی.تی از گازی از اتم های لیتیوم-6 استفاده کرد و مشاهده جفت شدگی اسپین-مدار دشوارتر از گروه چینی بود. مسئله این جاست که اتم های سبک تر همانند لیتیوم تمایل بیشتری به گرم شدن از طریق درآشامی تشدیدی نور دارند. گروه آمریکایی برای غلبه بر این مشکل، اکثر اتم ها را در «حالت های منبع» نگه داشت یعنی اتم ها امکان برهمکنش با نور را نداشتند و سرد می ماندند. با استفاده از امواج رادیویی تعدادی اندکی از اتم ها در حالت های جفت شدگی اسپین-مدار قرار گرفتند.

گروه ام.آی.تی نشان دادند که اتم های فراسرد را می توان برای شبیه سازی «دیود اسپینی» استفاده کرد. این وسیله احتمالا نقشی اساسی در توسعه مدارهای اسپینترونیک بازی خواهد کرد. این وسیله اجازه می دهد تا اتم های اسپین بالا فقط به جلو حرکت کنند و اسپین های پایین فقط به عقب برگردند. چوک می گوید:«گاز مانند دیود کوانتومی عمل می کند و جریان اسپین ها را منظم می کند.»

شبیه سازی ساختار نواری

با اعمال تابش رادیویی به گاز، فیزیکدانان ام.آی.تی توانستند پتانسیل متناوبی را شبیه به پتانسیل شبکه یک بعدی شبیه سازی کنند. همانطور که برای مواد واقعی انتظار می رود، پتانسیل تناوبی باعث شکل گیری نوارهای انرژی وابسته به اسپین می شود. توانایی ساختن ساختارهای نواری وابسته به اسپین به این روش منجر به شبیه سازی عایق های توپولوژیکی می شود.

جفت شدگی اسپین-مدار شبیه سازی شده توسط دو گروه تنها در یک بعد رخ می دهد و بنابراین نمی تواند برای شبیه سازی های سامانه های دوبعدی و سه بعدی که در اکثر قطعات الکترونیکی یافت می شود، استفاده گردد. با این وجود، ویژگی های جذابی را می توان در یک بعد یافت: مثلا شبیه سازی رفتار الکترون ها در نانوسیم های شبه رسانا/ابررسانا. تصور بر این است که این سامانه ها حاوی شبه ذراتی هستند که به فرمیون های مایورانا شباهت دارند. فرمیون های مایورانا ذراتی هستند که پادذره خود نیز می باشند.