گامی نوین در مسیر فناوری‌های کوانتومی با ترکیب ۲ ماده «غیرممکن»

یک تیم بین‌المللی به رهبری پژوهشگران دانشگاه راتگرز نیوبرانزویک موفق شده است دو ماده سنتزی آزمایشگاهی را در یک ساختار کوانتومی مصنوعی ترکیب کند که پیش از این تصور می‌شد وجود آن غیرممکن است. این ساختار جدید می‌تواند به کشف مواد نوینی منجر شود که در هسته فناوری‌های رایانش کوانتومی قرار خواهند گرفت.

این پژوهش که نتایج آن در شماره جدید مجله Nano Letters به‌عنوان مقاله اصلی منتشر شده است، روشی نوآورانه را توصیف می‌کند که پس از چهار سال آزمایش مداوم، منجر به طراحی و ساخت یک ساختار لایه‌ای در مقیاس اتمی شده است.

ساختاری متشکل از دو ماده «غیرممکن»

یکی از لایه‌های این ساختار تیتانات دیسپروزیم است؛ ترکیبی معدنی که در راکتور‌های هسته‌ای برای جذب مواد رادیواکتیو استفاده می‌شود و می‌تواند ذرات نادر موسوم به تک‌قطبی‌های مغناطیسی را در خود نگه دارد. لایه دیگر از پایروکلور ایریدات تشکیل شده است که یک نیمه‌فلز مغناطیسی با ویژگی‌های الکترونیکی، توپولوژیکی و مغناطیسی منحصر‌به‌فرد است که در تحقیقات علمی نوین مورد استفاده قرار می‌گیرد.

هر یک از این دو ماده به‌تنهایی به دلیل ویژگی‌های خاص خود، چالشی برای درک مرسوم فیزیک کوانتومی محسوب می‌شوند و ترکیب آنها تاکنون امکان‌پذیر نبوده است. با این حال، تیم تحقیقاتی توانسته است با ایجاد شرایط ویژه، این دو ماده را در قالب یک «ساندویچ کوانتومی» در کنار یکدیگر قرار دهد. این کار امکان بررسی تعاملات آنها در مرز مشترک اتمی را فراهم می‌کند.

دستیابی به مواد جدید برای فناوری‌های کوانتومی

جک چاکهالیان، استاد فیزیک تجربی در دانشگاه راتگرز و سرپرست این پژوهش، می‌گوید: “این کار روشی کاملاً جدید را برای طراحی مواد کوانتومی دوبعدی مصنوعی ارائه می‌دهد که می‌تواند فناوری‌های کوانتومی را متحول کند و درک ما را از ویژگی‌های بنیادی آنها گسترش دهد. “

این پژوهشگران در حال بررسی حوزه‌ای هستند که از قوانین نظریه کوانتوم پیروی می‌کند؛ شاخه‌ای از فیزیک که رفتار ماده و انرژی را در سطح اتمی و زیراتمی توصیف می‌کند. یکی از اصول کلیدی در مکانیک کوانتومی دوگانگی موج-ذره است، که نشان می‌دهد اشیای کوانتومی می‌توانند هم خاصیت موجی و هم خاصیت ذره‌ای داشته باشند. این مفهوم، پایه و اساس فناوری‌هایی مانند لیزرها، تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) و ترانزیستور‌ها است.

چالش‌های فنی و ساخت یک ابزار پیشرفته

ساخت این ساختار کوانتومی چنان پیچیده بود که محققان مجبور شدند دستگاهی کاملاً جدید را برای این کار طراحی کنند. این دستگاه که Q-DiP نام دارد (مخفف Quantum phenomena Discovery Platform) در سال ۲۰۲۳ تکمیل شد. این سامانه شامل یک گرم‌کننده لیزری مادون قرمز است که در کنار یک لیزر دیگر، امکان ساخت مواد در مقیاس اتمی، لایه‌به‌لایه را فراهم می‌کند.

چاکهالیان در این باره می‌گوید: “تا جایی که می‌دانیم، این ابزار در ایالات متحده بی‌نظیر است و یک پیشرفت قابل‌توجه در زمینه ابزار‌های پژوهشی محسوب می‌شود. “

ویژگی‌های منحصر‌به‌فرد دو ماده تشکیل‌دهنده ساندویچ کوانتومی

تیتانات دیسپروزیم، که با نام یخ اسپینی نیز شناخته می‌شود، ویژگی‌های خاصی دارد. درون این ماده، آهنربا‌های بسیار کوچکی به نام اسپین به شکلی مرتب شده‌اند که الگوی آنها دقیقاً مشابه ساختار مولکولی یخ آب است. این آرایش منحصر‌به‌فرد، باعث ایجاد تک‌قطبی‌های مغناطیسی می‌شود.

تک‌قطبی مغناطیسی ذره‌ای است که مانند یک آهنربا عمل می‌کند، اما برخلاف آهنربا‌های معمولی که دارای دو قطب شمال و جنوب هستند، این ذره فقط یک قطب دارد. وجود این ذرات نخستین بار در سال ۱۹۳۱ توسط پاول دیراک، برنده جایزه نوبل، پیش‌بینی شد. در طبیعت، این ذره به‌صورت آزاد مشاهده نشده است، اما در یخ اسپینی، در نتیجه برهم‌کنش‌های کوانتومی درون ماده، به‌طور طبیعی پدیدار می‌شود.

از سوی دیگر، پایروکلور ایریدات نیز ماده‌ای عجیب و خاص محسوب می‌شود، زیرا ذرات نسبیتی موسوم به فرمیون‌های ویل (Weyl fermions) را در خود جای داده است. این ذرات که اولین بار در سال ۱۹۲۹ توسط هرمان ویل پیش‌بینی شده و در سال ۲۰۱۵ در بلور‌ها کشف شدند، مانند نور حرکت می‌کنند و می‌توانند دو نوع چرخش متفاوت (چپ‌گرد و راست‌گرد) داشته باشند.

ویژگی‌های الکترونیکی این ماده بسیار پایدار است و در برابر برخی اختلالات یا ناخالصی‌ها مقاومت بالایی دارد، که آن را برای استفاده در ادوات الکترونیکی پیشرفته مناسب می‌کند. این ماده همچنین در برابر میدان‌های مغناطیسی و الکترومغناطیسی واکنش‌های غیرمعمول و خاصی نشان می‌دهد.

کاربرد‌های بالقوه در فناوری‌های نوین

چاکهالیان می‌گوید ترکیب این دو ماده در یک ساختار واحد، آن را به گزینه‌ای ایده‌آل برای حسگر‌های کوانتومی نسل آینده و همچنین دستگاه‌های اسپینترونیک تبدیل کرده است.

رایانش کوانتومی از اصول مکانیک کوانتومی برای پردازش اطلاعات استفاده می‌کند. کامپیوتر‌های کوانتومی از بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها بهره می‌برند که می‌توانند به‌طور همزمان در چندین حالت قرار داشته باشند. این ویژگی که برهم‌نهی کوانتومی نامیده می‌شود، امکان انجام محاسبات پیچیده را بسیار سریع‌تر از رایانه‌های کلاسیک فراهم می‌کند.

ویژگی‌های الکترونیکی و مغناطیسی خاص این ماده جدید، امکان ایجاد حالت‌های کوانتومی بسیار پایدار و غیرمعمول را فراهم می‌کند که برای رایانش کوانتومی ضروری هستند.

محققان معتقدند که در صورت عملی شدن فناوری‌های کوانتومی، زندگی روزمره دستخوش تحولات اساسی خواهد شد. این فناوری می‌تواند:

تحقیقات دارویی و زیست‌پزشکی را متحول کند.

باعث بهبود فرآیند‌های مالی، پیش‌بینی و کاهش هزینه‌ها در صنایع مختلف شود.

الگوریتم‌های یادگیری ماشین را پیشرفته‌تر کرده و هوش مصنوعی را قدرتمندتر کند.

به گفته دانشمندان، این پژوهش گامی بزرگ در سنتز مواد جدید محسوب می‌شود و می‌تواند تأثیر شگرفی بر توسعه حسگر‌های کوانتومی و دستگاه‌های اسپینترونیک داشته باشد.