علم مکانیک کوانتومی بر دنیای ذرات بنیادی حاکم است؛ جایی که رفتار ذرات از قوانین کلاسیک پیروی نمی‌کند و پدیده‌هایی رخ می‌دهند که تنها در دماهای بسیار پایین یا فشارهای بالا قابل مشاهده‌اند. این پدیده‌ها اغلب نتیجه‌ی رفتار جمعی و پیچیده‌ی ذرات هستند و تاکنون بیشتر آنها در حد تئوری باقی مانده‌اند. اما حالا، پژوهشی بین‌المللی موفق به ثبت حالت‌های کوانتومی جدید و نادر شده است.
مشاهده حالت‌های جدید کوانتومی در ماده‌ای دوبُعدی
به گزارش آی‌ای، گروهی از پژوهشگران از ژاپن و آمریکا موفق شده‌اند چندین حالت کوانتومی جدید را در یک ماده دو‌بعدی از نوع موآره شناسایی کنند؛ حالاتی که پیش‌تر در دنیای فیزیک کوانتومی دیده نشده بودند. این یافته‌ها، ماده‌ی جدید را به فهرست در حال رشد «باغ‌وحش کوانتومی» (Quantum Zoo) اضافه می‌کند.
پروفسور شیائویانگ ژو (Xiaoyang Zhu) از دانشگاه کلمبیا و نویسنده ارشد این مقاله اظهار داشت:
«برخی از این حالت‌ها هرگز قبلاً مشاهده نشده بودند و ما انتظار نداشتیم این‌همه حالت جدید را ببینیم.»
فناوری نوری نوآورانه برای شناسایی حالت‌های پنهان
برای شناسایی این حالت‌های پنهان، پژوهشگران ناچار به توسعه فناوری نوری جدیدی شدند. آنها با بهره‌گیری از تکنیکی موسوم به «طیف‌سنجی دمش-کاوش» (Pump-Probe Spectroscopy)، موفق شدند حدود ۲۰ حالت کوانتومی پنهان را در ماده‌ای به نام دی‌فنیل‌دی‌تلورید مولیبدن درهم‌تنیده (tMoTe2) کشف کنند. این ماده یکی از نمونه‌های ساختاری موآره دو‌بعدی است.
ساختار موآره چیست؟
مواد موآره از قرار دادن دو لایه‌ی اتمی روی یکدیگر با اندکی اختلاف زاویه یا جابجایی ایجاد می‌شوند. این جابجایی ظریف، منجر به تولید الگوهای بزرگ‌مقیاس و موج‌مانند موسوم به «الگوهای موآره» می‌شود. در این ساختارها، برهم‌کنش‌های الکترونی تقویت شده و می‌توانند منجر به ظهور حالت‌های کوانتومی توپولوژیکی شوند.
رایانش کوانتومی توپولوژیکی؛ آینده‌ای بدون خطا
حالت‌های کوانتومی توپولوژیکی، نوع خاصی از حالات کوانتومی هستند که به دلیل پایداری ذاتی‌شان، نقش کلیدی در توسعه رایانه‌های کوانتومی مقاوم در برابر خطا ایفا می‌کنند. برخلاف کیوبیت‌های معمولی که بسیار شکننده‌اند، این حالت‌ها می‌توانند اطلاعات را در برابر اختلالات محیطی حفظ کنند.
اما چالش اصلی ایجاد این حالت‌ها، نیاز به میدان مغناطیسی خارجی قوی بود که خود می‌تواند عملکرد کیوبیت‌ها را مختل کند. در این پژوهش، دانشمندان موفق شدند بدون استفاده از میدان مغناطیسی خارجی، با بهره‌گیری از ویژگی‌های درونی ماده tMoTe2، به پدیده‌ی موسوم به «اثر کسری کوانتومی هال» (Fractional Quantum Hall Effect) دست یابند.
شبه‌ذرات و آنیون‌ها؛ فیزیک فراتر از تصور
در پدیده‌ی اثر کسری کوانتومی هال، الکترون‌ها به صورت جمعی رفتاری متفاوت از حالت عادی نشان می‌دهند و ذراتی موسوم به شبه‌ذرات (quasi-particles) شکل می‌گیرند. این شبه‌ذرات که آنیون (anyon) نامیده می‌شوند، ویژگی‌هایی دارند که نه به الکترون‌ها شباهت دارند و نه به فوتون‌ها.
در حالت عادی، مشاهده‌ی آنیون‌ها نیازمند اعمال میدان مغناطیسی قوی است، اما ماده‌ی موآره tMoTe2 به دلیل ساختار درهم‌تنیده‌اش، میدان مغناطیسی درونی ایجاد می‌کند و امکان مشاهده این اثر را بدون نیاز به میدان خارجی فراهم می‌سازد.
کنترل حالت‌های کوانتومی با لیزر
در فرآیند مشاهده، پژوهشگران از یک پالس لیزری اولیه برای ایجاد اختلال موقتی در حالت‌های کوانتومی استفاده کردند و سپس با پالس دوم، این حالت‌ها را کنترل و ثبت کردند. این تکنیک پیشرفته، به آنها اجازه داد تا رفتار دقیق و ویژگی‌های ۲۰ حالت پنهان را شناسایی کنند؛ برخی از این حالت‌ها قبلاً ثبت شده بودند اما چندین مورد کاملاً جدید بودند.
گامی به سوی رایانه‌های کوانتومی نسل آینده
هدف بعدی این تیم تحقیقاتی، تحلیل و دسته‌بندی این حالت‌های تازه کشف‌شده است تا مشخص شود کدام‌یک از آنها قابلیت استفاده در رایانش کوانتومی را دارند. این کشف می‌تواند نقش مهمی در توسعه رایانه‌های کوانتومی مقاوم و پایدار ایفا کند.
این پژوهش پیشگامانه در نشریه معتبر Nature منتشر شده و به عنوان یکی از پیشرفت‌های مهم در حوزه فیزیک کوانتومی مواد دو‌بعدی شناخته شده است.