کشف ماده جدیدی که برق را با سرعت نور عبور می دهد

فیزیکدان ها، ویژگی های مواد کوانتومی دو بعدی جدیدی را مورد مطالعه قرار داده اند، که می توانند جای گرافن را به عنوان “ماده اعجاب انگیز” آینده بگیرند.

گویا آی تی – این مواد، که می توانند جریان برق را با سرعتی نزدیک به سرعت نور عبور دهند، جایگزین سیلیکون ها در نسل بعدی کامپیوتر های بسیار سریع خواهند بود. همچنین می توانند پایه ای برای ساخت یک “ابررسانای عجیب” جدید باشند که می تواند تقارن زمان معکوس را بشکند (یا به عبارت دیگر، جریان زمان را معکوس کند).
به گفته یکی از محققانی که در این تحقیق همکاری کرده، یعنی جینگ شیا، از دانشگاه کالیفرنیای ایالت ایروین، “در نهایت، میتوانیم نظریه هایی جدید و فوق العاده در فیزیک مطرح کنیم و چیزی مفید به دست آوریم”.

“ما در حال بررسی امکان ساخت کامپیوترهای کوانتومی توپولوژیکی ( که ایده آن فعلا فقط در حد نظری مطرح شده است)، در ۱۰۰ سال آینده هستیم”.
ژیا و تیمش، به همراه محققانی از چند دانشگاه دیگر آمریکا و چین، به بررسی پتانسیل های تعداد انگشت شماری از مواد کوانتومی پرداخته اند. این مواد، می توانند فناوری های ساخت کامپیوتر (یعنی فناوری های محاسباتی) را در دهه های آینده متحول کنند.
نتایج تحقیقات آن، در قالب سه مقاله ارائه شد و هر سه مقاله به صورت همزمان در نشریات Nature، Science Advances و Nature Materials منتشر شد.
موادی که هم خواص مغناطیسی داشتند و هم الکترونیکی، در مرکز توجه این تحقیق قرار داشتند. دارا بودن این خواص دوگانه، از شرایط لازم برای کاربرد آنها در ساخت حافظه کامپیوتر و سیستم های ذخیره سازی اطلاعات بود.

گرافن – یعنی ورقه های دو بعدی اتم های کربن که فوق العاده انعطاف پذیر، سخت تر از الماس، و قوی تر از فولاد هستند – پتانسیل بسیار بالایی در زمینه رسانش الکتریکی دارد، اما یکی از نقطه ضعف های آن در زمینه کاربردش در سیستم های محاسباتی، مغناطیسی نبودن آن است.
اینجاست که پسرعموی دو بعدی آن، یعنی کروم ژرمانیوم تلورید (CGT)، وارد صحنه می شود.
این تیم تحقیقاتی با استفاده از دستگاهی که شیا آن را حساس ترین میکروسکوپ مغناطیسی جهان می نامد، یعنی تداخل سنج Sagnac فیبر نوری، موفق شدند نمونه CGT را به صورت لایه هایی با ضخامت ۲ اتم، با طول چندین میکرون و عرض چند میکرون ببینند.
اگر بخواهید این ابعاد را بهتر حس کنید می توانید آن را با تار موی انسان مقایسه کنید. هر تار موی انسان، ۱۷ تا ۱۸۰ میکرون عرض دارد.
این محققان موفق شدند در دمای ۲۳۳- درجه سلسیوس ( ۳۸۷- درجه فارنهایت) ویژگی های مغناطیسی CGT را پیدا کرده و اندازه گیری نمایند. به این ترتیب، به یکی از سوالاتی که چندین دهه در فیزیک کوانتومی مطرح بود، پاسخ داده شد. تا این زمان دانشمندان نمی دانستند که آیا خاصیت های مغناطیسی در موادی که منقبض شده و در حالت دو بعدی قرار می گیرند، می توانند به بقای خود ادامه دهند یا خیر.

شیانگ ژانگ، از دانشگاه کالیفرنیای ایالت برکلی، و یکی از افرادی که در مورد این ماده تحقیق کرده، می گوید “این کشف واقعا هیجان انگیز است”.
“این آزمایش، شواهد بسیار خوبی از این واقعیت به دست داده که ما به یک آهنربا با ضخامتی در مرتبه یک اتم و سطحی هموار با ناهمواری در حد یک اتم، دست یافته ایم. این کشف، افراد زیادی را شگفت زده کرده است”.
این ماده می تواند به جای استفاده از الکترون ها که در کامپیوترهای امروزی به کار می روند، جریانهای الکتریکی را از طریق فرمیون های دیراک و مایورانا هدایت کند. فرمیون ها، ذراتی بدون جرم هستند که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می کنند. به همین دلیل، این ماده توانسته ارزش خود به عنوان یک کشف بزرگ علمی را به همگان ثابت کند.
ماده کوانتومی دیگری که در این تحقیق زیر میکروسکوپ قرار گرفت، مخلوطی از بیسموت و نیکل بود. وقتی محققان این دو ماده را در دماههای بسیار پایین (۲۶۹- درجه سلسیوس یا ۴۵۲- درجه فارنهایت) در کنار هم قرار دادند، دریافتند که “یک ابررسانای عجیب شکل گرفته که تقارن زمان معکوس را می شکند”.
تقارن زمان معکوس، به توانایی ماده در معکوس سازی جریان زمان اشاره دارد.
شیا می گوید: “تصور کنید بتوانید زمان را به عقب برگردانید و یک فنجان چای قرمز به چای سبز تبدیل شود. آیا این اتفاق چای را عجیب نمی کند؟ همین میزان عجیب بودن در مورد ابررساناها دیده شده است”.

حالا که نگاهی اجمالی به پتانسیل های این مواد کوانتومی جدید داشتیم، در گام بعدی آنها را وارد عرصه عملی می کنیم و در جهت تحول کامپیوترهای کوانتومی در آینده از آنها بهره می بریم. و این بدان معناست که تکرار این ویژگی ها تحت دماهای بسیار پایین تر، یعنی همان هدفی که شیا و همکارانش به خوبی به سمت آن پیش می روند، با ساخت دستگاهی که می توند مواد دو بعدی را در دمای نسبتا خوبی مثل ۳۳- درجه سلسیوس (۲۷- درجه فارنهایت) به ثبات برساند، امکان پذیرمی شود.
شیا با لحن طنزآمیزی می گوید: “باور کنید یا نه، این دما از دمای برخی از نقاط کانادا بیشتر است. در واقع این کار، گامی بزرگ در جهت ساخت کامپیوترهای کوانتومی در دماهای نزدیک به دمای اتاق است”.