کشف رمز شبه گپ در فیزیک کوانتوم

به گزارش خبرنگار گروه علم و فناوری خبرگزاری برنا؛ یک مطالعه جدید با استفاده از تکنیک‌های محاسباتی، بینش‌های تازه‌ای در مورد حالت شبه‌گپ ارائه داده است؛ چالشی مهم در فیزیک کوانتوم که با ابررسانایی در دما‌های بالا مرتبط است.

پژوهشگران با به‌کارگیری الگوریتم پیشرفته‌ای به نام مونت کارلوی نموداری، رفتار الکترون‌ها در مواد ابررسانا را شبیه‌سازی کرده‌اند که این می‌تواند به کشف‌هایی در زمینه ابررسانایی در دما‌های اتاق منجر شود؛ موضوعی که می‌تواند انقلاب عظیمی در انتقال برق و فناوری‌های دیگر ایجاد کند.

تحولی در فیزیک کوانتوم: فهمیدن شبه‌گپ

دانشمندان با استفاده هوشمندانه از یک تکنیک محاسباتی توانسته‌اند گشایشی در فهم «شبه‌گپ» حاصل کنند؛ پازلی قدیمی در فیزیک کوانتوم که پیوند نزدیکی با ابررسانایی دارد. این کشف که در شماره ۲۰ سپتامبر نشریه Science منتشر شده، به دانشمندان کمک خواهد کرد تا در دستیابی به ابررسانایی در دمای اتاق، که یکی از اهداف بزرگ فیزیک ماده چگال است، گامی به جلو بردارند.

چنین ابررسانایی می‌تواند امکان انتقال برق بدون افت، ماشین‌های MRI سریع‌تر و قطار‌های شناور بسیار سریع را فراهم کند.

برخی مواد شامل مس و اکسیژن در دما‌های نسبتاً بالا (ولی همچنان بسیار سرد) زیر ۱۴۰ درجه سانتی‌گراد زیر صفر، ابررسانا می‌شوند (یعنی برق بدون مقاومت در آنها جریان می‌یابد). اما در دما‌های بالاتر، این مواد وارد حالتی به نام شبه‌گپ می‌شوند؛ جایی که گاهی مانند یک فلز عادی عمل می‌کنند و گاهی بیش‌تر شبیه به نیمه‌هادی‌ها. دانشمندان دریافته‌اند که شبه‌گپ در تمام مواد ابررسانای دما بالا حضور دارد. اما چرا و چگونه این حالت ایجاد می‌شود یا اینکه آیا در دما‌های بسیار پایین نیز باقی می‌ماند، هنوز روشن نشده بود.

درک بهتر ابررسانایی و شبه‌گپ

آنطوان جورج، یکی از نویسندگان مطالعه و مدیر مرکز فیزیک کوانتوم محاسباتی مؤسسه فلت‌آیرون، گفت: دانشمندان با درک بهتر چگونگی ظهور شبه‌گپ و ارتباط آن با ویژگی‌های نظری مواد ابررسانا در دمای صفر مطلق (۲۷۳.۱۵ درجه سانتی‌گراد زیر صفر)، در حال به دست آوردن تصویر واضح‌تری از این مواد هستند.

مثل این است که شما در یک چشم‌انداز مه‌آلود باشید و قبلاً فقط چند دره و چند قله را می‌دیدید. حالا مه در حال از بین رفتن است و می‌توانید چشم‌انداز کامل‌تری را ببینید.

چالش‌های محاسباتی در تحقیق کوانتومی

فیزیکدانان کوانتوم می‌توانند حالت‌هایی مانند شبه‌گپ را با روش‌های محاسباتی که رفتار الکترون‌ها را در یک ماده مدل‌سازی می‌کنند، بررسی کنند.

با این حال، این محاسبات به دلیل درهم‌تنیدگی کوانتومی، که در آن الکترون‌ها به هم متصل می‌شوند و نمی‌توان آنها را به‌صورت جداگانه بررسی کرد، بسیار دشوار است.

پیشرفت‌ها با الگوریتم مونت کارلوی نموداری

تیم تحقیقاتی برای حل مسئله شبه‌گپ از الگوریتمی به نام مونت کارلوی نموداری استفاده کرد.

برخلاف مونت کارلوی کوانتومی، این الگوریتم تمامی برهم‌کنش‌ها را به‌طور همزمان بررسی می‌کند. این رویکرد جدید به تیم کمک کرد تا بفهمند چه اتفاقی برای مواد در حالت شبه‌گپ هنگام سرد شدن می‌افتد.

جهت‌گیری‌های آینده در شبیه‌سازی‌های کوانتومی و ابررسانایی

نتایج این مطالعه به‌طور مستقیم به شبیه‌ساز‌های گاز کوانتومی که در دمای فوق‌سرد کار می‌کنند نیز مربوط می‌شود و می‌تواند زمینه‌ساز تحولات بزرگی در سال‌های آینده باشد.

انتهای پیام/