آهنرباهای کوانتومی میلیاردها بار سردتر از فضای بین ستاره ای هستند

آهنربای ساخته شده از اتم های ایتربیوم بسیار گرمتر از صفر مطلق است. درک نحوه عملکرد آن می تواند به فیزیکدانان در ساخت ابررساناهای با دمای بالا کمک کند

توسط کارملا بادویک کالاهان

نوع جدیدی از آهنربای کوانتومی از اتم هایی یک میلیاردم درجه گرمتر از صفر مطلق ساخته شده است و فیزیکدانان مطمئن نیستند که چگونه کار می کند.

یک آهنربای معمولی بسته به اینکه الکترون‌های داخل آن در حالت S کوانتومی «بالا» یا «پایین» باشند، اجسام مغناطیسی را دفع یا جذب می‌کند، این ویژگی شبیه داشتن قطب شمال و جنوب در یک جهت خاص است. با این حال، این تنها خاصیتی نیست که می توان از آن برای ساخت آهنربا استفاده کرد.

کادن هازارد از دانشگاه رایس در تگزاس و همکارانش از اتم های ایتربیوم برای ساخت آهنربا بر اساس خاصیت اسپین مانند استفاده کردند که دارای شش گزینه است که هر کدام با یک رنگ برچسب گذاری شده اند.

محققان اتم ها را در خلاء در یک جعبه فلزی و شیشه ای کوچک محبوس کردند و سپس از لیزر برای خنک کردن آنها استفاده کردند. فشار دادن پرتو لیزر باعث می‌شود اتم‌های پرانرژی‌تر مقداری انرژی آزاد کنند و دمای کلی را کاهش دهند، مشابه دمیدن در یک فنجان چای.

آنها همچنین از لیزر برای چیدمان اتم ها در پیکربندی های مختلف برای تولید آهنربا استفاده کردند. برخی مانند سیم یک بعدی بودند، برخی دیگر مانند یک ورقه نازک از مواد دو بعدی یا مانند یک تکه کریستال سه بعدی بودند.

اتم های چیده شده در خطوط و صفحات به حدود 1.2 نانوکلوین رسیدند که بیش از 2 میلیارد بار سردتر از فضای بین ستاره ای است. برای اتم ها در آرایش های سه بعدی، وضعیت به قدری پیچیده است که محققان هنوز در حال کشف بهترین راه برای اندازه گیری دما هستند.

هازارد می گوید اتم های این آزمایش به گروه بزرگتری به نام فرمیون ها تعلق داشتند و سردترین فرمیون های جهان بودند. او می‌گوید: «در 10 سال پیش که فکر می‌کردم این کار را انجام دهم، برای یک منظره مانند یک رویا به نظر می‌رسید.

فیزیکدانان مدت‌هاست به چگونگی برهم‌کنش اتم‌های آهن‌رباهای عجیب و غریب علاقه‌مند بوده‌اند، زیرا گمان می‌کردند که برهم‌کنش‌های مشابهی در ابررساناهای با دمای بالا رخ می‌دهد – موادی که الکتریسیته را کاملا رسانا می‌کنند. با درک بهتر آنچه در جریان است، می توانند ابررساناهای بهتری بسازند.

ادواردو ایبارا-گارسیا-پادیلا، یکی از نویسندگان این مقاله، می گوید که گزارش های نظری در مورد چنین آهن رباهایی وجود داشته است، اما آنها نتوانسته اند الگوهای دقیق حالت رنگ یا میزان مغناطیسی بودن آنها را پیش بینی کنند. او می‌گوید که او و همکارانش برخی از بهترین محاسبات را در حین تجزیه و تحلیل آزمایش انجام دادند، اما هنوز فقط می‌توانستند رنگ هشت اتم را در یک زمان در تنظیمات خط و صفحه از هزاران اتم آزمایش پیش‌بینی کنند.

ویکتور گوراری از دانشگاه کلرادو بولدر می‌گوید این آزمایش به اندازه‌ای سرد بود که اتم‌ها شروع به «توجه کردن» به حالت‌های رنگ کوانتومی همسایگان خود کردند، ویژگی که بر نحوه تعامل آنها در زمان گرم بودن تأثیر نمی‌گذارد. او می‌گوید با توجه به سختی محاسبات، آزمایش‌های مشابه آینده ممکن است تنها راه برای مطالعه آهنرباهای کوانتومی باشد.

مرجع مجله: فیزیک طبیعتDOI: 10.1038/s41567-022-01725-6