انتقال الکتریسیته با سرعت نور توسط مواد کوانتومی جدید
فیزیکدان‌ها ویژگی‌های مواد کوانتومی دوبعدی جدیدی را بررسی کرده‌اند که می‌‌تواند جایگاه گرافن به‌عنوان ماده‌ی شگفت‌انگیز را در آینده تصاحب کند.
این مواد با قابلیت انتقال الکتریسیته با سرعتی نزدیک به سرعت نور، می‌‌توانند جایگزین سیلیسیوم در نسل بعدی رایانه‌های سرعت بالا شوند. این مواد می‌‌توانند اساس ابررساناهای خارجی جدید باشند و تقارن زمان معکوس را بشکنند یا جریان زمان را برعکس کنند. جینگ ژیا، یکی از پژوهشگران از دانشگاه کالیفرنیا ایرواین، می‌‌گوید:
بالاخره توانستیم با استفاده از نظریه‌های بسیار عجیب و پیچیده‌ی کوانتومی، چیزی مفید درست کنیم. ما امکان ساخت کامپیوترهای کوانتومی توپولوژیکال (که در حال حاضر تنها نظریه هستند) را برای صد سال آینده بررسی می‌‌کنیم.
ژیا و تیم او به همراه پژوهشگرانی از چندین دانشگاه در ایالات متحده و چین، پتانسیل تعداد انگشت‌شماری از مواد کوانتومی را که می‌‌توانند انقلابی در محاسبات در دهه‌های پیش رو ایجاد کنند، بررسی کرده‌اند.
موادی که هم خواص الکتریکی و هم خواص مغناطیسی نشان می‌‌دهند، هدف پژوهش آن‌ها بودند؛ چرا که این ویژگی‌ها در سیستم‌های ذخیره‌سازی و حافظه‌ی کامپیوترها لازم هستند.
گرافن را می‌‌شناسید. برگه‌های دوبعدی از اتم کربن با انعطاف‌پذیری بالا که سخت‌تر از الماس و مقاوم‌تر از فولاد است. گرافن پتانسیل بالایی در زمینه‌های مربوط به رسانایی از خود نشان داده است. اما گرافن یک مشکل عمده دارد؛ مشکلی که نقصی مهم در محاسبات محسوب می‌‌شود: نداشتن خاصیت مغناطیسی.
اینجا بود که پژوهشگران به سراغ ماده‌ای مشابه رفتند. این ماده‌ی دوبعدی، کرومیوم ژرمانیوم تلورید (CGT) نام داشت.
ژیا تداخل‌سنج فیبر نوری سانیاک را حساس‌ترین میکروسکوپ در جهان می‌‌داند. او و اعضای تیمش با استفاده از این دستگاه، ورقه‌ای میکروسکوپی از CGT را که دو اتم ضخامت، چند میکرون طول و چند میکرون عرض داشت مشاهده کردند. برای آن‌که بتوانید تصوری از ابعاد گفته‌شده داشته باشید، بهتر است بگوییم که ضخامت یک تار موی انسان بین ۱۷ تا ۱۸۰ میکرون است.
این تیم پژوهشی موفق شد در دمای منفی ۲۳۳ درجه سانتی‌گراد خواص مغناطیسی CGT را تأیید و اندازه‌گیری کند. این یافته، پاسخی به سؤالی قدیمی در فیزیک کوانتومی هم بود: آیا ماده‌ای که به دو بعد کاهش داده شده است، می‌‌تواند خواص مغناطیسی خود را حفظ کند یا خیر؟ ژیانگ ژانگ، از پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا برکلی، می‌‌گوید:
این کشف واقعا هیجان‌انگیز است. این آزمایش شاهدی قطعی بر وجود مغناطیسی با ضخامت در حد اتم و دوبعدی است که بسیاری را شگفت‌زده کرده است.
خاصیت مغناطیسی این ماده در کنار خاصیت انتقال الکتریسیته با پیروی از معادله دیراک و در قالب فرمیون مایورانا (ذراتی بدون جرم که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌‌کنند) به‌جای الکترون‌های کامپیوترهای امروزی، اهمیت این ماده را ثابت کرده است.
دیگر ماده‌ی کوانتومی جدیدی که در زیر میکروسکوپ قرار گرفته ، مخلوطی از بیسموت و نیکل است. پژوهشگران این دو ماده را در دمایی بسیار پایین (منفی ۲۶۹ درجه‌ی سلسیوس) در تماس با یکدیگر قرار دادند و ابررسانایی عجیب یافتند که تقارن زمان معکوس را می‌‌شکند. تقارن زمان معکوس یا تقارن T به قابلیت معکوس کردن مؤثر جریان زمان اشاره دارد. ژیا در این مورد می‌‌گوید:
تصور کنید که ساعت را به عقب می‌‌کشید و فنجانی از چای قرمز به چای سبز تبدیل می‌‌شود. چه چای هیجان‌انگیزی! این مورد برای ابررساناها هم جذاب است و نخستین بار است که چنین قابلیتی در مواد دوبعدی مشاهده می‌‌کنیم.
حال که در مورد پتانسیل این مواد کوانتومی جدید، تصوری پیدا کردیم، قدم بعدی این خواهد بود که آن‌ها را برای استفاده در کامپیوترهای کوانتومی انقلابی آینده، بیشتر کاربردی کنیم. بدین معنا که خواص آن‌ها را در دماهایی ملایم‌تر ایجاد کنیم. ژیا و تیم او با ساخت دستگاهی که بتواند مواد دوبعدی را در دمای ملایم‌تر منفی ۳۳ درجه سانتی‌گراد پایدار کند، در راه دستیابی به این مورد هستند. ژیا می‌‌گوید:
باور کنید یا نه، این دما از برخی نقاط کانادا گرم‌تر است. این کار قدمی بزرگ در راه توسعه کامپیوترهای کوانتومی آینده در دمایی نزدیک به دمای اتاق است.
نتایج پژوهش‌های این تیم در سه مقاله و هم‌زمان در سه ژورنال نیچر، Science Advances و نیچر متریالز منتشر شده است.
نظرات