یکی از گزینه‌های اصلی رایانش کوانتومی بی‌خطا رفتاری گیج‌کننده نشان می‌دهد
رفتار گیج‌کننده که یکی از گزینه‌های اصلی رایانش کوانتومی بدون خطا از خود نشان می‌دهد، فیزیکدانان را وادار می‌کند که در اَبَررسانایی «اسپین سه‌گانه» بازنگری کنند.
یک مطالعه‌ی تازه به سرپرستی دانشگاه رایس آمریکا، فیزیکدانان را وادار می‌کند تا درباره‌ی ابررسانایی در «اورانیوم دی‌تلورید» (Uranium Ditelluride) ماده‌ای که در فهرست اصلی (List-A) رقابت جهانی برای ایجاد رایانه‌های کوانتومی مقاوم به خطا است، تجدید نظر کنند.
اعتقاد بر این است که کریستال‌های اورانیوم دی‌تلورید میزبان شکل نادری از ابررسانایی «اسپین سه‌گانه» (Spin-Triplet) هستند اما نتایج این آزمایش گیج‌کننده که این هفته در نشریه‌ی «نیچر» (Nature) منتشر شد، توضیح اصلی درباره‌ی چگونگی شکل‌گیری حالت ماده در این ترکیب را تغییر داده است.
انجام آزمایش‌های پراکندگی نوترون توسط فیزیکدانان دانشگاه رایس، آزمایشگاه ملی اوک ریج، دانشگاه کالیفرنیا، دانشگاه سن دیگو و آزمایشگاه ملی میدان مغناطیسی بالا در دانشگاه ایالتی فلوریدا، نشانه‌های آشکاری از نوسانات اسپین پادفرومغناطیسی را نشان داد که با ابررسانایی در اورانیوم دی‌تلورید همراه است.
ابررسانایی اسپین سه‌گانه، در یک ماده‌ی حالت جامد مشاهده نشده است، اما فیزیکدانان برای مدت‌ها گمان می‌کنند که این اَبَررسانایی از حالت منظم فرومغناطیسی ناشی می‌شود. رقابت برای یافتن مواد اسپین سه‌گانه در سال‌های اخیر به دلیل پتانسیل آن‌ها برای میزبانی از شبه ذرات گریزان، به نام فرمیون‌های «مایورانا» (Majorana) که می‌توانند برای ساخت رایانه‌های کوانتومی بی‌خطا استفاده شوند، افزایش چشمگیری یافته است.
«پنگ‌چنگ دای» (Pengcheng Dai) یکی از نویسندگان این مطالعه، درباره‌ی فرمیون‌های مایورانا، شبه ذرات فرضی که می‌توانند برای ساخت بیت‌های کوانتومی توپولوژیکی بدون ناهمدوسی مشکل‌ساز کیوبیت‌ها در رایانه‌های کوانتومی امروزی استفاده شوند، گفت: «تا کنون میلیاردها دلار برای جست‌وجوی آن‌ها هزینه شده است.»
دای، استاد فیزیک و نجوم و عضو برنامه‌ی کوانتوم رایس گفت: «وقتی یک ابررسانای اسپین سه‌گانه در اختیار داریم، باید بتوان از آن برای ساخت کیوبیت‌های توپولوژیکی استفاده کرد. اما با ابررساناهای تک‌اسپین نمی‌توان این کار را انجام داد. به همین دلیل است که اغلب مردم به‌شدت به این موضوع علاقه دارند.»
نویسندگان مقاله‌ی جدید درباره‌ی رفتار کوانتومی اورانیوم دی‌تلورید؛ از چپ: پنگ‌چنگ دای، چانرو دوان، کیمیائو سی
Credit: Jeff Fitlow/Rice University
ابررسانایی زمانی روی می‌دهد که الکترون‌ها جفت تشکیل می‌دهند و مانند زوج‌هایی که در یک زمین رقص می‌چرخند، به‌صورت یک واحد حرکت می‌کنند. الکترون‌ها به‌طور طبیعی، با توجه به بار الکتریکی یکسان، از یکدیگر گریزانند اما بر این تمایل آن‌ها به اجتناب از الکترون‌های دیگر، می‌توان با تمایل ذاتی آن‌ها برای حضور در سطح انرژی کمتر غلبه کرد. اگر جفت شدن به الکترون‌ها امکان بدهد تا به حالتی با انرژی پایین‌تر دست یابند، چیزی که فقط در دماهای بسیار سرد امکان‌پذیر است، می‌توان آن‌ها را جفت کرد.
این اثرپذیری به‌صورت نواسانات در محیط فیزیکی آن‌ها ایجاد می‌شود. در ابررساناهای معمولی، مانند سرب، نوسانات در اصل ارتعاشات در شبکه‌ی اتمی اتم‌های سرب داخل سیم ابررسانا هستند. فیزیکدانان هنوز نتوانسته‌اند نوساناتی را که باعث ابررسانایی غیرمتعارف در موادی مانند اورانیوم دی‌تلورید می‌شود، شناسایی کنند. اما دهه‌ها مطالعه، گذار فاز (لحظات کلیدی که الکترون‌ها به‌طور خودبه‌خودی خود را بازآرایی می‌کنند) را در نقاط بحرانی پیدا کرده است که جفت شدن الکترون‌ها، آغاز می‌شود.
در معادلات مکانیک کوانتومی، این ترتیب‌های منظم خودبه‌خودی با عبارت پارامتر ترتیب نشان داده می‌شوند. نام اسپین سه‌گانه به شکست خودبه‌خودی سه تقارن در این ترتیبات منظم اشاره دارد. برای نمونه، الکترون‌ها به‌طور مداوم مانند آهنرباهای میله‌ای کوچک می‌چرخند. یک پارامتر ترتیب مربوط به محور چرخش آن‌ها (برای نمونه قطب شمال مغناطیسی) می‌شود که به بالا یا پایین اشاره می‌کند.
ترتیب یا چیدمان فرومغناطیسی زمانی است که همه‌ی اسپین‌ها در یک جهت قرار می‌گیرند و از سوی دیگر چیدمان پادفرومغناطیسی زمانی است که در یک آرایش بالا-پایین، بالا-پایین نوسان می‌کنند. در تنها اسپین سه‌گانه‌ی تأیید شده، هلیوم-۳ فوق سیال، پارامتر ترتیب کمتر از ۱۸ جزء ندارد.
به گفته‌ی دای دو توضیح ممکن است برای نتیجه‌ی آزمایش آن‌ها وجود داشته باشد؛ یا اورانیوم دی‌تلورید یک ابررسانای اسپین سه‌گانه نیست، یا ابررسانایی اسپین سه‌گانه به گونه‌ای از نوسانات اسپین پادفرومغناطیسی ناشی می‌شود که فیزیکدانان پیش از این تصور نمی‌کردند. چندین دهه شواهد تجربی به احتمال دوم اشاره می‌کند اما به‌نظر می‌رسد که این موضوع، دانسته‌های متعارف درباره‌ی ابررسانایی را نقض می‌کند. بنابراین دای با همکاری «کیمیائو سی» (Qimiao Si) فیزیکدان نظری دانشگاه رایس و متخصص پدیده‌های کوانتوی نوظهور همکاری کرد.
سی یکی از نویسندگان این مطالعه، طی ۵ سال گذشته زمان زیادی را صرف نشان دادن نظریه‌ی جفت شدن چنداوربیتالی که با همکاری «امیلین نیکا» (Emilian Nica) توسعه داده، کرده است. این نظریه یافته‌های تجربی متناقضی را در چندین نوع ابررسانای نامتعارف، ازجمله فرمیون‌های سنگین، دسته‌ای که شامل اورانیوم دی‌تلورید است، توضیح می‌دهد.
در جفت شدن چنداوربیتالی، الکترون‌ها در برخی از پوسته‌های اتمی بیشتر از دیگران جفت تشکیل می‌دهند. سی فکر می‌کرد که اورانیوم پتانسیل مشارکت الکترون‌های جفت شده از هر یک از هفت اوربیتال با ۱۴ حالت ممکن را دارد.
او گفت: «چنداوربیتال‌ها نخستین چیزی بود که به ذهنم رسید. اگر شما فقط یک باند یا یک اوربیتال (مدار) داشته باشید، این نتایج ممکن نیست اما وجود اوربیتال‌ها بُعد تازه‌ای به جفت ابررساناهای نامتعارف می‌دهن. آن‌ها مانند یک پالت رنگ هستند. رنگ‌ها اعداد کوانتومی داخلی هستند و الکترون‌های f موجود در مواد فرمیونی سنگین مبتنی بر اورانیوم، به‌طور طبیعی برای داشتن این رنگ‌ها تنظیم شده‌اند. آن‌ها به احتمالات جدیدی می‌انجامند که فراتر از جدول تناوبی حالت‌های جفت‌شدن است. یکی از این احتمالات جدید اسپین سه‌گانه است.»
سی و نیکا که اکنون در دانشگاه ایالتی آریزونا هستند، نشان دادند که همبستگی‌های پادفرومغناطیسی می‌تواند منجر به حالت‌های جفت شدن اسپین سه‌گانه و با انرژی پایین شود. به گفته‌ی سی «حالت‌های جفت شدن اسپین سه‌گانه در اکثر موارد بسیار غیرممکن است، زیرا جفت‌ها برای کاهش انرژی خود به‌صورت تک‌اسپین‌ها درمی‌آیند. در اورانیوم دی‌تلورید، جفت شدن اسپین-مدار می‌تواند سطح انرژی را به گونه‌ای تغییر دهد که احتمال شکل‌گیری حالت‌های جفت اسپین-سه‌گانه را در برابر همتایان تک‌اسپین افزایش دهد.»
عکس کاور: طرحی گرافیکی از آزمایش پراکندگی نوترون و برخورد این ذره‌ی زیراتمی به نمونه‌ای از یک اورانیوم دی‌تلورید ابررسانا
Credit: Jill Hemman/ORNL
منبع: SciTechDaily
