فیزیکدانان درهم تنیدگی الکترونها را در حالتی کاملا جدید مشاهده کردند

اکنون نتایج این آزمایش هیجان انگیز درهای جدیدی را بر روی ارتقای دانش ما در خصوص دنیای عجیب و غریب کوانتومی گشوده است و احتمالا در فناوری های آتی کاربرد خواهد داشت. برخلاف جفت شدگی عادی دو الکترون درهم تنیده، محققان این بار گروهی از چهار الکترون را مشاهده کردند که حالت یکسانی دارند؛ آرایش پیچیده ای که قبلا تصور می شد در بلورهای ابر رسانا وجود داشته باشد. مطالعه به رهبری محققانی از موسسه فدرال اکول پلی تکنیک در لوزان سوئیس انجام شد و آنها از یک سری نوترون برای تجزیه و تحلیل رفتار الکترون ها در شبکه ای از بورات مس استرونتیوم و تحت فشار شدید استفاده کردند.

الکترون های بورات مس استرونتیوم بعنوان یک نوع ابر رسانا می تواند درون ماده ای با مقاومت صفر در دماهای پایین نفوذ یابد. الکترون ها در حالتی موسوم به جفت شدگی کوپر پیوند می یابند؛ یک اثر کوانتومی که به واسطه کشش بار الکترون در یون های مثبت در اطراف خود ایجاد می شود. جفت های کوپر الکترون های درهم تنیده اند؛ یعنی حتی اگر فاصله ای میان آنها باعث جدایی بشود، وادار کردن یک الکترون برای اکتساب نوعی ویژگی خاص بلافاصله ویژگی مکمل را در شریک آن الکترون نمایان خواهد کرد.

چنین برهم کنش هایی را مسئله چندپیکره در فیزیک می نامند و مدل سازی آنها کار بسیار دشواری است. این مسائل زمانی به شدت پیچیده می شوند که ما پیچیدگی کوانتومی را به مسئله ذرات برهم کنش کننده متعدد بیفزاییم. اما مدل سازی چگونگی رفتار الکترون های درهم تنیده در شرایط پیچیده در سال ۱۹۸۱ توسط دو فیزیکدان نظری با نام های سیرام شاستری و بیل ساترلند توضیح داده شد.

«هنریک رونو» یکی از محققان در این آزمایش جدید گفت: «فیزیک کوانتومی چند پیکره در جایی به عنوان یک چالش مطرح می شود که نظریه ها در توضیح مسائل به موفقیت چندانی نرسیده اند.» اگرچه می توان از نظریه شاستری و ساترلند در این تحقیق جدید استفاده کرد اما آنان در تحقیقات نظری شان یک سری پیش بینی انجام دادند که تغییر فازهای موجود در ماده ابر رسانا را توصیف می کند و تا به الان نمی دانستیم که کدام ها صحت دارند.

از میان طیفی چند از احتمالات، یکی این بود که اسپین های الکترون آنها را در گروهی از چهار الکترون به صورت درهم تنیده در می آورد. در فشار ۲۱۵۰۰ اتمسفر، مشاهده شد که الکترون ها در ماده فوق سرد شده گروهی متشکل از چهار عضو را ایجاد کرده اند. این نوعی جدید از گذار فاز کوانتومی به شمار می رود و مطالعات نظری متعددی در مورد آنها صورت پذیرفته است و هرگز بصورت آزمایشی مورد بررسی قرار نگرفته است. از آنجا مواد بسیاری از قبیل نیمه رساناها به خاطر تغییرات فاز منحصر بفردشان مورد استفاده قرار می گیرند، مبادله میان رساناگر و عایق تحت شرایط مختلف می تواند کاربردهایی در فناوری های آینده داشته باشد. زمان به ما خواهد گفت. این یافته ها می توانند درک فیزیکدانان را نسبت به دنیای عجیب و غریب کوانتومی ارتقا ببخشند. جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریۀ Nature Physics منتشر شده است.