نقش مهم کریستال‌های مایع کوانتومی جدید در آینده‌ی کامپیوترها
مجله علمی ایلیاد - فیزیکدانان مؤسسه‌ی اطلاعات و مواد کوانتومی در کلتک، اولین کریستال مایع کوانتومی سه‌بُعدی را کشف کرده‌اند. این کریستال مایع حالت جدیدی از ماده است که ممکن است در کامپیوترهای کوانتومی فوق سریع آینده کاربرد داشته باشد.
«دیوید هسیه«، دانشیار فیزیک در دانشگاه کلتک و بازرس قانونی مطالعه‌ی جدیدی که مقاله‌ی آن در ۲۱ آوریل ۲۰۱۷ در مجله‌ی Science چاپ شد، می‌گوید: «ما وجود حالت بنیادین جدیدی از مواد را که وابسته به شباهت کوانتومی کریستال مایع است را تشخیص دادیم. در واقع کلاس‌های متعددی از این‌چنین کریستال‌های مایع کوانتومی می‌تواند وجود داشته باشد. بنابراین یافته‌ی ما مُشتی نمونه‌ی خروار است.»
کریستال مایع در واقع چیزی بین حالت مایع و جامد است؛ این مواد از مولکول‌هایی ساخته شده‌اند که مانند مایع به راحتی جریان می‌یابند، ولی مانند جامدات همه‌ی این مولکول‌ها به سمتی واحد جهت‌گیری می‌کنند. کریستال مایع در طبیعت، مانند غشاهای سلولی زیستی پیدا می‌شود. همچنین آن‌ها را می‌توان به‌صورت مصنوعی نیز ساخت؛ مانند صفحه نمایش‌های کریستال مایع مورد استفاده در ساعت‌ها، گوشی‌های هوشمند، تلویزیون و دیگر تجهیزاتی که دارای صفحه نمایش هستند.
در کریستال مایع کوانتومی، الکترون‌ها مانند مولکول‌ها در کریستال مایع‌های مرسوم، رفتار می‌کنند. بدین معنی که الکترون‌ها هم‌چنان‌که مسیر جریان مشخص شده‌ای دارند، ولی آزادانه در حال حرکت هستند. اولین کریستال مایع کوانتومی در سال ۱۹۹۹ توسط «جیم انیشتین» و «فرانک روشک» پروفسور فیزیک و فیزیک کاربردی دانشگاه کلتک کشف شد. کریستال مایع کوانتومی کشف شده توسط انیشتین دو بعدی بود بدین معنی که این کریستال به صفحه‌ای خاص درون ماده‌ی میزبان که فلز پایه‌ی گالیوم آرسنید مصنوعی بود، محدود می‌شد. این‌چنین کریستال‌های مایع کوانتومی از آن زمان تا کنون در چندین ماده‌ی مختلف شامل ابررساناهای دما بالا، موادی که الکتریسیته را بدون مقاومت در دمای حدود ۱۵۰ درجه‌ی سانتی‌گراد که گرم‌تر از دمای کاری ابررساناهای مرسوم است، انتقال می‌دهند، یافت شده‌اند.
«جان هارتر»، دانشجوی فوق دکتری در آزمایشگاه هسیه و رهبر نویسندگان مطالعه‌ی جدید این‌گونه توضیح می‌دهد: «کریستال‌های مایع کوانتومی دو بعدی بسیار عجیب و غریب رفتار می‌کنند. الکترون‌ها در صفحه‌ای صاف به‌صورت مجتمع قرار دارند و جمیعاً تصمیم می‌گیرند مثلاً به جای محور عمودی در راستای محور افقی حرکت کنند، اگر چه هیچ چیزی برای تمیز دادن این جهت‌ها از یکدیگر وجود ندارد.»
هارتر، هسیه و دیگر همکاران‌شان در آزمایشگاه ملی آک‌ریج و دانشگاه تنسی، اولین کریستال مایع کوانتومی سه‌بُعدی را کشف کرده‌اند. کریستال مایع کوانتومی سه‌بُعدی در مقایسه با کریستال مایع کوانتومی دو بعدی عجیب و غریب‌تر است. در این نوع کریستال، الکترون‌ها نه تنها بین جهت‌های افقی، عمودی و مایل تمایز قائل می‌شوند، بلکه بسته به رو به جلو یا رو به عقب بودن جریان، دارای خصوصیات مغناطیسی متفاوتی نیز هستند.
هسیه می‌گوید: «برقراری جریان الکتریسیته از درون این مواد باعث می‌شود از مواد نانومغناطیسی به مواد مغناطیسی تبدیل شوند که پدیده‌ای کاملاً غیرمعمول است. علاوه بر این، در هر جهتی که بتوانید جریان را برقرار کنید، توان و جهت میدان مغناطیسی ایجاد شده تغییر می‌کند. فیزیکدانان می‌گویند که الکترون‌ها تقارن شبکه را به هم می‌زنند.»
هارتر به خاطر علاقه‌اش به این کشف دست یافت. او در ابتدا علاقمند به مطالعه‌ی ساختار اتمی ترکیبات فلزی بر پایه‌ی عنصر «رنیوم» بود. به‌خصوص او در حال تلاش برای مشخص کردن ساختار شبکه‌ی اتمی کریستال با استفاده از روشی به نام «آنیسوتراپی چرخشی با هم‌سازی ثانویه‌ی نوری» بود. در این آزمایش‌ها، نور لیزر به ماده تابیده می‌شد و نوری با فرکانس دو برابر نور ورودی منعکس می‌شد. الگوی نورهای منعکس شده شامل اطلاعاتی درباره‌ی تقارن کریستال بود. الگوهای اندازه‌گیری شده از فلز با پایه‌ی رنیوم خیلی عجیب و غریب بود و نمی‌شد آن‌را با ساختارهای شناخته شده‌ی ترکیبات توضیح داد.
هارتر می‌گوید: «در ابتدا ما نمی‌دانستیم چه اتفاقی در حال رخ دادن است.» محققین سپس در مورد مفهوم کریستال مایع کوانتومی سه‌بُعدی که توسط «لیانگ فو»، پروفسور فیزیک MIT توسعه داده شده بود اطلاعاتی کسب کردند. هارتر اضافه می‌کند: «این یافته جدید می‌توانست الگوهای مشاهده شده را به دقت توضیح دهد. همه‌چیز به یک‌باره مشخص شد.»
محققین اذعان دارند که کریستال‌های مایع کوانتومی سه‌بُعدی می‌توانند در رشته‌ای به نام «اسپینترونیک» مفید واقع شوند. در این رشته، جهت چرخش الکترون‌ها ممکن است کارایی بالاتری در چیپ‌های کامپیوتری ایجاد کند. این کشف همچنین ممکن است برای حل تعدادی از چالش‌های مربوط به ساختن کامپوترهای کوانتومی که در جستجوی بهره‌گیری از مزایای طبیعت کوانتومی ذرات برای انجام سریع‌تر محاسبات هستند، کمک‌کننده باشد. یکی از مشکلات ساختن چنین کامپیوترهایی این است که خصوصیات کوانتومی به‌شدت شکننده هستند و به راحتی می‌توانند از طریق فعل و انفعالات موجود با محیط اطراف از بین بروند. روشی به نام «محاسبات کوانتومی کیفی» توسعه یافته توسط «آلکسی کیتایف»، «رونالد و ماکسین لینده» پروفسور فیزیک نظری و ریاضیات دانشگاه کلتک، می‌تواند مسأله را به کمک نوع خاصی از ابررسانا که «ابررسانای کیفی» نام دارد، حل کند.
هسیه می‌گوید: «به همان طریقی که کریستال‌های مایع کوانتومی دو بعدی به‌عنوان ابررساناهای دما بالا پیشنهاد می‌شوند، کریستال‌های مایع کوانتومی سه‌بُعدی نیز می‌توانند پیشرو صنعت ابررساناهای دما بالا باشند که ما در جستجوی آن‌ها بوده‌ایم.»
هارتر می‌گوید: «به جای اینکه برای یافتن ابررساناهای کیفی به بخت و اقبال تکیه کنیم، اکنون ما مسیری منطقی برای ساختن آن‌ها با استفاده از کریستال‌های مایع کوانتومی سه‌بُعدی داریم. این کار برنامه‌ی آینده‌ی ما است.»
نوشته: ویتنی کلاوین
ترجمه: امید محمدی - مجله علمی ایلیاد
ترجمه: امید محمدی - مجله علمی ایلیاد