پایگاه اطلاع‌رسانی ایران رصد، به نقل از سایت phys.org، یک صفحه تخت از اتم‌ها می‌تواند به عنوان نوعی آنتن دو بعدی عمل کند که نور را جذب و انرژی آن را به نانولوله‌های کربنی هدایت کند و باعث شود آنها بدرخشند. این پیشرفت می‌تواند به توسعه دستگاه‌های کوچک منتشر کننده نور در آینده که از اثرات کوانتومی بهره‌برداری می‌کنند، کمک کند.

نحوه عملکرد

نانولوله‌های کربنی شبیه سیم‌های بسیار نازک و توخالی با قطری حدود یک نانومتر هستند. آنها می توانند به طرق مختلف نور تولید کنند. برای مثال، یک پالس لیزر می‌تواند الکترون‌های با بار منفی درون ماده را تحریک کند و «سوراخ‌هایی» با بار مثبت باقی بگذارد. این بارهای متضاد می توانند با هم جفت شوند و حالتی پرانرژی به نام اکسایتون را تشکیل دهند که ممکن است قبل از اینکه انرژی خود را به عنوان نور آزاد کند، در طول یک نانولوله نسبتاً دور حرکت کند.

در اصل، این پدیده می تواند برای ساخت دستگاه های ساطع کننده نور در مقیاس نانو بسیار کارآمد مورد بهره برداری قرار گیرد.

محدودیت‌ها

متأسفانه، سه مانع برای استفاده از لیزر برای تولید اکسیتون‌ها در نانولوله‌های کربنی وجود دارد. اولاً، یک پرتو لیزر معمولاً ۱۰۰۰ برابر گسترده‌تر از یک نانولوله است، بنابراین مقدار بسیار کمی از انرژی آن در واقع توسط مواد جذب می‌شود. دوم، امواج نور باید کاملاً با نانولوله هماهنگ شوند تا انرژی خود را به طور مؤثر ارائه کنند. در نهایت، الکترون‌های یک نانولوله کربنی تنها می توانند طول موج‌های بسیار خاصی از نور را جذب کنند.

برای غلبه بر این محدودیت‌ها، تیمی به رهبری Yuichiro Kato از آزمایشگاه فوتونیک کوانتومی نانومقیاس RIKEN به کلاس دیگری از نانومواد، معروف به مواد دو بعدی، روی آوردند. این صفحات تخت فقط چند اتم ضخامت دارند، اما می‌توانند بسیار گسترده‌تر از پرتو لیزر باشند و در تبدیل پالس‌های لیزر به اکسیتون بسیار بهتر هستند.

فرایند اجرا

محققان نانولوله های کربنی را بر روی یک ترانشه که از یک ماده عایق تراشیده شده بود رشد دادند. آنها سپس یک پوسته نازک اتمی از تنگستن دیزلنید را در بالای نانولوله ها قرار دادند. هنگامی که پالس‌های لیزر به این پوسته برخورد می‌کنند، اکسیتون‌هایی تولید می‌کنند که به درون نانولوله و در طول آن حرکت می‌کنند، قبل از اینکه نوری با طول موج بلندتر از لیزر آزاد کنند. تنها یک تریلیونم ثانیه طول کشید تا هر اکسایتون از ماده دو بعدی به نانولوله عبور کند.

با آزمایش نانولوله‌هایی با طیف وسیعی از ساختارهای مختلف که بر سطوح انرژی حیاتی در مواد تأثیر می‌گذارند، محققان اشکال نانولوله‌ای ایده‌آل را شناسایی کردند که انتقال اکسیتون‌ها از مواد دو بعدی را تسهیل می‌کنند.

بر اساس این نتیجه، آنها قصد دارند از مهندسی باند (یک مفهوم مفید در مهندسی نیمه هادی برای تحقق بخشیدن به دستگاه هایی با خواص برتر) در مقیاس ریز اتمی استفاده کنند.

کاتو می گوید:

زمانی که مهندسی باند در نیمه هادی‌های کم بعدی اعمال می شود، انتظار می رود ویژگی های فیزیکی جدید و قابلیت‌های نوآورانه ظاهر شوند.

کاتو می‌افزاید:

امیدواریم از این مفهوم برای توسعه دستگاه‌های فوتونیک و اپتوالکترونیکی که فقط چند لایه اتمی ضخامت دارند، استفاده کنیم. اگر بتوانیم آنها را تا حد نازک اتمی کوچک کنیم، انتظار داریم اثرات کوانتومی جدیدی پدیدار شوند که ممکن است برای فناوری‌های کوانتومی آینده مفید باشند.

این مقاله در مجله Nature Communications منتشر شده است.

پایگاه اطلاع رسانی ایران رصد، به نقل از  «سای‌تک‌دیلی»، محققان وضعیت کوانتومی جدیدی از ماده را با جریان های کایرال شناسایی کرده اند که به طور بالقوه انقلابی در الکترونیک و فناوری های کوانتومی ایجاد می کند. این پیشرفت که از طریق مشاهده مستقیم با استفاده از سنکروترون Elettra ایتالیا تایید شده است، کاربردهای گسترده ای در حسگرها، زیست پزشکی و انرژی های تجدیدپذیر دارد.

جریان‌ کایرال در مقیاس اتمی و از طریق حرکت هم‌افزایانه (cooperative movement) الکترون‌ها ایجاد می‌شوند که بر خلاف مواد مغناطیسی متعارف هستند. جریان کایرال یک پدیده کوانتومی است که در آن ذرات بدون پراکندگی در یک جهت حرکت می کنند. این پدیده در سیستم های مختلفی از جمله ابررساناها و مایعات کوانتومی مشاهده شده است. ویژگی‌های آنها از خصوصیات کوانتومی یک الکترون موسوم به چرخش و نظم و آرایش آنها در کریستال ناشی می‌شود.

این جریان‌ها در مقیاس اتمی توسط حرکت مشارکتی الکترون‌ها ایجاد می‌شوند، برخلاف مواد مغناطیسی معمولی که خواص آن‌ها از ویژگی کوانتومی یک الکترون به نام اسپین و ترتیب آن‌ها در کریستال سرچشمه می‌گیرد.

اهمیت جریان کایرال (Chirality)

کایرالیته یک ویژگی بسیار مهم در علم است. در پدیده کوانتومی کشف‌شده، کایرالیته جریان‌ها با مطالعه برهم‌کنش بین نور و ماده، که در آن یک فوتون قطبی مناسب می‌تواند یک الکترون را از سطح ماده با حالت اسپینی کاملاً مشخص ساطع کند، شناسایی شد.

این کشف که در Nature منتشر شده است، دانش ما را در مورد مواد کوانتومی، جستجوی فازهای کوانتومی کایرال و پدیده‌هایی که در سطح مواد رخ می‌دهند، به میزان قابل توجهی غنی می‌کند.

کاربردها و پیامدهای بالقوه

فدریکو ماتزولا، محقق فیزیک ماده چگال در دانشگاه Ca’ Foscari ونیز و رهبر این تیم تحقیقاتی، توضیح می دهد:

کشف وجود این حالت های کوانتومی، ممکن است راه را برای توسعه نوع جدیدی از الکترونیک که از آن استفاده می کند هموار کند. جریان های کایرال به عنوان حامل های اطلاعات به جای بار الکترون. علاوه بر این، این پدیده‌ها می‌توانند پیامد مهمی برای کاربردهای آینده مبتنی بر دستگاه‌های اپتوالکترونیکی کایرال جدید و تأثیر زیادی در زمینه فناوری‌های کوانتومی برای حسگرهای جدید و همچنین در زمینه‌های زیست پزشکی و انرژی‌های تجدیدپذیر داشته باشند.

کشف و تأیید

این مطالعه برگرفته از یک پیش‌بینی نظری است. آن مستقیماً و برای اولین بار وجود این حالت کوانتومی را تأیید کرد. که تاکنون مرموز و مبهم، به لطف استفاده از سنکروترون Elettra ایتالیایی است. تا پیش از این، دانش در مورد وجود این پدیده در واقع به پیش بینی های نظری برای برخی مواد محدود می شد. مشاهده آن بر روی سطوح جامدات آن را برای توسعه دستگاه های الکترونیکی بسیار نازک بسیار جالب می کند.

این گروه تحقیقاتی که شامل شرکای ملی و بین المللی از جمله دانشگاه Ca’ Foscari ونیز، موسسه Spin، موسسه CNR Materials Officina و دانشگاه سالرنو است. پدیده ماده ای را که قبلاً برای جامعه علمی به دلیل خواص الکترونیکی آن شناخته شده بود، بررسی کردند. و برای کاربردهای ابررسانا اسپینترونیک، اما اکتشاف جدید دامنه وسیع تری دارد. و بسیار کلی تر است و برای طیف وسیعی از مواد کوانتومی قابل استفاده است.

این مواد انقلابی در فیزیک کوانتومی و توسعه فعلی فناوری‌های جدید ایجاد می‌کنند، با خواصی که بسیار فراتر از آن چیزی است که توسط فیزیک کلاسیک توصیف شده است.

پایگاه اطلاع رسانی ایران رصد، سال ۲۰۲۳ دنیای علم و فناوری شاهد اکتشافات و پیشرفت‌های خارق‌العاده‌ای بود. از هوش مصنوعی مولد گرفته تا پرتاب فضاپیماها و ماهواره‌ها هر کدام تغییرات شگرفی را در زندگی بشر رقم زدند. با این حال جهان به سرعت در حال تحول است. فناوری‌های جدید از راه می‌رسند. در ادامه نگاهی می‌اندازیم به اتفاقاتی که احتمالا دنیای علم و فناوری در سال ۲۰۲۴ را تحت تاثیر قرار خواهند داد.

هوش مصنوعی احساسی

هوش مصنوعی در سال ۲۰۲۳ به یکی از زمینه‌های اصلی دانش بدل شد. رشد انفجاری چت‌جی‌پی‌تی نگاه‌ها را به خود جلب کرد. اما آیا هوش مصنوعی به رشد تصاعدی خود ادامه خواهد داد؟

ابتدا باید گفت آنچه ما در سال گذشته شاهد آن بودیم، «هوش مصنوعی مولد» نام داشت که در واقع فناوری پشت‌سر چت‌جی‌پی‌تی محسوب می‌شد. این فناوری الگوهای داده‌ها را یاد می‌گیرد و داده‌های جدید را به صورت متن یا تصویر تولید می‌کند.

با این حال بعضی کارشناسان می‌گویند سال پیش رو سال «هوش مصنوعی احساسی» خواهد بود که هیجانات احساسی انسان را تشخیص داده و تفسیر می‌کند. این هوش مصنوعی در واقع می‌تواند احساسات متنوع بشری را پردازش کرده و آنها را شبیه‌سازی کنند.

فدریکو منا، مدیرعامل مؤسسه نوآوری و فناوری اروپا (EIT) می‌گوید:

«این هوش مصنوعی احساسی علاوه بر توانایی تولید محتوا بر اساس تعامل یا درخواست کاربر، می‌تواند واکنش نشان دهد و با درک احساسات انسان در مقابل دستگاه واکنش نشان دهد.»

به گفته وی اثر این فناوری در بخش سلامت، کلیدی خواهد بود. زیرا به افراد مبتلا به بیماری‌های مزمن، مشکلات مربوط به سن یا کسانی که مشکلات سلامت روان دارند اجازه می‌دهد بهتر زندگی کنند.

ابرانسان

هوش مصنوعی در دیگر حوزه‌ها نیز می‌تواند به پیشرفت خود ادامه دهد. جیمی ولز، بنیانگذار ویکی‌پدیا، گفته است که هوش مصنوعی در حال حاضر وضعی «آشفته و به هم ریخته» دارد اما می‌تواند تا ۵۰ سال دیگر تبدیل به «ابر انسان» شود.

جیتندرا پوچا، معاون اروپایی داده، تجزیه و تحلیل و هوش مصنوعی در شرکت مشاوره فناوری مایند‌تری، در این باره می‌گوید:

هر صنعتی از سفر گرفته تا رسانه از این فناوری بهره خواهد برد و این مسئله نه تنها خلاقیت را افزایش داده و آموزش و رشد را بهبود می‌بخشد، بلکه می‌تواند باعث کاهش هزینه‌ها شود و حریم خصوصی و امنیت را افزایش دهد.

او با بیان اینکه « قدرت بزرگ، مسئولیت بزرگ می‌آورد»، گفت:

«ما یک عصای جادویی در دست داریم که می‌تواند معجزه کند، اما این مسئولیت را نیز داریم که از آن در زمینه مناسب برای چیزهای درست و با اقدامات حفاظتی مناسب استفاده کنیم.»

این نگرانی البته در خصوص موسسات بیشتر از مردم عادی است. اتحادیه اروپا و آمریکا از همین حالا شروع به تدوین قوانین و مقررات تنظیم‌کننده در خصوص هوش مصنوعی کرده‌اند و انتظار می‌رود قانون هوش مصنوعی اتحادیه اروپا در سال ۲۰۲۴ تصویب شود.

فناوری فضایی

در حالی که برآورد می‌شود هوش مصنوعی همچنان در چشم‌انداز پیش روی بشر به عنوان یک عرصه مهم پیشرفت باقی بماند، فناوری فضایی می‌تواند اتفاق بزرگ بعدی در سال ۲۰۲۴ باشد.

کارشناسان می‌گویند عرصه تحول عمده در سال ۲۰۲۴ در صنعت فضایی نه سفر به دیگر کرات، بلکه ماهواره‌ها خواهند بود.

این فناوری به انسان اجازه می‌دهد بتوانیم آنچه را که روی سیاره ما اتفاق می‌افتد تشخیص دهیم، الگوهای اقلیمی را پیش‌بینی کنیم و ذوب یخ‌ها و نحوه مدیریت منابع آب را بهتر درک کنیم.

ماهواره‌ها می‌توانند در زندگی مردم تاثیر بگذارند و از آبیاری زمین‌های زراعی گرفته تا نحوه مصرف انرژی و آسیب‌های محیط زیستی در دریاها را ثبت کند. در این میان گفته می‌شود که شرکت اسپیس‌ایکس همان نقشی را در صنعت فضا ایفا خواهد کرد که شرکت اوپن‌ای‌آی خالق چت‌جی‌پی‌تی در زمینه هوش مصنوعی ایفا کرده است.

کارشناسان می‌گویند ورود شرکت‌های پیشرویی همچون SpaceX باعث بزرگ‌تر شدن تغییرات خواهد شد، زیرا مردم اهمیت فناوری فضایی را به این وسیله بیشتر درک خواهند کرد.

کامپیوترهای کوانتومی و امنیت سایبری

سال ۲۰۲۳ سال بزرگی برای محاسبات کوانتومی شرکت آی‌بی‌ام بود، امری که ما را یک قدم به کشف چگونگی به حداقل رساندن خطاهای داده نزدیک‌تر کرد. اما اینکه چگونه محاسبات کوانتومی می‌تواند از ما به صورت آنلاین محافظت کند، موضوع بزرگی در سال ۲۰۲۴ خواهد بود.

موسسه ملی استاندارد و فناوری ایالات متحده قرار است استانداردهای نهایی «رمزنگاری پساکوانتومی» (PQC) را در اوایل سال ۲۰۲۴ منتشر کند. این به معنای پایان یک پروژه جهانی هشت ساله برای جامعه رمزنگاری است.

اکسل پوشمن، رئیس بخش نوآوری و امنیت محصول در شرکت امنیت سایبری پی‌کیوشیلد در بریتانیا، در این خصوص می‌گوید: «این استانداردها بزرگترین انتقال امنیت سایبری در نسل ما به شمار می‌روند، زیرا ما برای محافظت از داده‌ها و زیرساخت‌های دیجیتالی خود در برابر حمله رایانه‌های کوانتومی تلاش می‌کنیم.»

محققان اعتقاد دارند هرچند هوش مصنوعی یک تهدید بنیادین برای امنیت سایبری محسوب می‌شود، اما همزمان می‌توان از آن برای دفاع نیز استفاده کرد. مسئله‌ای که اهمیت آن با ظهور کامپیوترهای کوانتومی بیش از پیش خواهد شد.

پایگاه اطلاع رسانی ایران رصد، به گزارش ایسنا و به نقل از آی‌ای، یک مطالعه جدید بررسی کرده است که آیا رایانه‌های کوانتومی می‌توانند رمزنگاری پیچیده بلاک‌چین را که بیت‌کوین را ممکن ساخته است، هک نمایند یا خیر و پاسخ به این سوال، پیچیده است.

رایانه‌های کوانتومی از نظر تئوری می‌توانند بیت‌کوین را بشکنند. اما نه در آینده‌ای نزدیک، چرا که باید یک میلیون برابر قدرتمندتر از رایانه‌های کوانتومی امروزی باشند.

بنابراین در عمل، این ارز دیجیتال احتمالاً برای یک دهه آینده در معرض خطر هکرهای رایانه کوانتومی قرار نخواهد گرفت.

شبکه بیت‌کوین از یک مجموعه محاسبات پیچیده در بلاک‌چین برای انجام تراکنش‌ها استفاده می‌کند. قدرت پردازش بسیار زیاد مورد نیاز برای انجام این محاسبات، چیزی است که کیف پول‌های رمزنگاری شده را ایمن نگه می‌دارد. اما دلیل نگرانی‌های اقلیمی در مورد ارزهای دیجیتال نیز همین است. به عنوان مثال، در فوریه سال گذشته، تجزیه و تحلیل محققان دانشگاه “کمبریج” نشان داد که ماینرهای بیت‌کوین در سراسر جهان انرژی بیشتری نسبت به کل کشورهایی نظیر آرژانتین و هلند مصرف می‌کنند.

در حالی که این فرآیند پر انرژی عملاً شکستن کد مورد استفاده توسط شبکه بیت‌کوین را برای رایانه‌های معمولی غیرممکن می‌کند.

انتظار می‌رود رایانه‌های کوانتومی نسبت به رایانه‌های کلاسیک امروزی قدرتمندتر باشند. علاوه بر این، چندین شرکت از جمله گوگل و آی‌بی‌ام قبلاً ادعا کرده‌اند که به “برتری کوانتومی” دست یافته‌اند. اصطلاحی که به حل موفقیت‌آمیز محاسباتی اشاره دارد که برای یک رایانه کلاسیک، هزاران سال طول می‌کشد.

این پیشرفت‌های اخیر در محاسبات کوانتومی دلیلی است که تیمی از دانشگاه “ساسکس”(Sussex) به سرپرستی دکتر “مارک وبر” شروع به بررسی الزامات مورد نیاز برای کرک کردن شبکه بیت‌کوین کردند.

“وبر” می‌گوید: یک کلید مرتبط برای هر تراکنش بیت‌کوین وجود دارد. و یک پنجره زمانی محدود وجود دارد. که آن کلید در آن آسیب‌پذیر است و این پنجره زمانی، متغیر است. اما معمولاً حدود ۱۰ دقیقه تا یک ساعت و شاید یک روز طول می‌کشد.

“وبر” و تیمش محاسبه کردند که شکستن کد بیت‌کوین در این پنجره ۱۰ دقیقه‌ای به یک رایانه کوانتومی با ۱.۹ میلیارد کیوبیت نیاز دارد.

شکستن آن در یک ساعت به ۳۱۷ میلیون کیوبیت نیاز دارد، در حالی که برای شکستن آن در یک روز به ۱۳ میلیون کیوبیت نیاز است.

“وبر” در مقاله‌ای که در مجله AVS Quantum Science منتشر شده است. می‌نویسد: این نیاز فیزیکی بزرگ به کیوبیت نشان می‌دهد که شبکه بیت‌کوین برای سال‌ها (به طور بالقوه بیش از یک دهه) در مقابل حملات، ایمن خواهد بود. در حالی که این موضوع برای دارندگان بیت‌کوین اطمینان‌بخش است. اما این احتمال را نیز برجسته می‌کند که ثروت‌های عظیم بیت‌کوینی در آینده‌ای نه چندان دور آسیب پذیر شوند.

رایانه کوانتومی ابررسانای شرکت “آی‌بی‌ام” تنها ۱۲۷ کیوبیت دارد. به این معنی که برای هک کردن بیت‌کوین باید یک میلیون برابر قدرتمندتر باشد. با این حال، این شرکت قصد دارد تا سال ۲۰۲۴ یک تراشه محاسباتی کوانتومی ۱۰۰۰ کیوبیتی به نام “کوندور”(Condor) بسازد.

پایگاه اطلاع رسانی ایران رصد، تحقیقات جدید دانشگاه آلتو پیرامون نانولیزر ها نشان می دهد که می توان از میدان مغناطیسی برای روشن و خاموش کردن آنها استفاده کرد. فیزیک زیربنای این کشف راه را برای توسعه سیگنال‌های نوری که نمی‌توانند توسط اختلالات خارجی مختل شوند. هموار می‌کند و منجر به استحکام بی‌سابقه‌ای در پردازش سیگنال می‌شوند.

لیزرها نور را در پرتوهای بسیار روشن متمرکز می‌کنند. که در حوزه‌های مختلف مانند ارتباطات پهن باند و دستگاه‌های تشخیص پزشکی مفید هستند. حدود ده سال پیش، لیزرهای بسیار کوچک و سریعی به نام نانولیزر پلاسمونیک ساخته شد. این نانولیزر ها به طور بالقوه نسبت به لیزرهای سنتی دارای قدرت کارآمدتری هستند، و در بسیاری از زمینه ها از مزیت زیادی برخوردار بوده اند- برای مثال، نانولیزر ها حساسیت بیوسنسورهای مورد استفاده در تشخیص پزشکی را افزایش داده اند.

تا کنون، روشن و خاموش کردن نانولیزرها مستلزم دستکاری مستقیم آنها، چه به صورت مکانیکی یا با استفاده از گرما یا نور بوده است. اکنون محققان راهی برای کنترل از راه دور نانولیزرها یافته اند.

پروفسور سباستین ون دایکن از دانشگاه آلتو می گوید:

«تازه در اینجا این است که ما قادریم سیگنال لیزر را با یک میدان مغناطیسی خارجی کنترل کنیم. با تغییر میدان مغناطیسی اطراف نانوساختارهای مغناطیسی خود، می توانیم لیزر را روشن و خاموش کنیم.»

این تیم با ساخت نانولیزر های پلاسمونیک از موادی متفاوت از مواد معمول این کار را انجام دادند. آنها به جای فلزات نجیب معمولی مانند طلا یا نقره، از نانو نقطه های مغناطیسی کبالت پلاتین که بر روی لایه ای پیوسته از طلا و دی اکسید سیلیکون عایق طرح ریزی شده بود، استفاده کردند. تجزیه و تحلیل آنها نشان داد که هم مواد و هم آرایش نانو نقطه ها در آرایه های تناوبی برای اثر مورد نیاز است.

فوتونیک به سمت پردازش سیگنال بسیار قوی پیش می رود

مکانیسم کنترل جدید ممکن است در طیف وسیعی از دستگاه‌هایی که از سیگنال‌های نوری استفاده می‌کنند مفید باشد. اما پیامدهای آن برای حوزه نوظهور فوتونیک توپولوژیکی هیجان‌انگیزتر است. هدف فوتونیک توپولوژیکی تولید سیگنال‌های نوری است که توسط اختلالات خارجی مختل نمی‌شوند. این با ارائه پردازش سیگنال بسیار قوی در بسیاری از حوزه ها کاربرد دارد.

ون دایکن توضیح می‌دهد:

«ایده ما این است که شما می‌توانید حالت‌های نوری خاصی ایجاد کنید که توپولوژیکی هستند. و دارای ویژگی‌های خاصی هستند. که به آنها اجازه می‌دهد در برابر هر گونه اختلالی منتقل شوند و از آنها محافظت شود.»

این بدان معناست که اگر نقصی در دستگاه وجود داشته باشد. یا به دلیل ناهمواری مواد، نور می تواند بدون ایجاد مزاحمت از آنها عبور کند. زیرا از نظر توپولوژیکی محافظت می شود.

تا کنون، ایجاد سیگنال های نوری محافظت شده از نظر توپولوژیکی با استفاده از مواد مغناطیسی به میدان های مغناطیسی قوی نیاز داشته است. تحقیقات جدید نشان می‌دهد که اثر مغناطیس در این زمینه می‌تواند به طور غیرمنتظره‌ای با استفاده از یک آرایه نانوذراتی با یک تقارن خاص تقویت شود. محققان بر این باورند که یافته‌های آنها می‌تواند راه را برای سیگنال‌های جدید، در مقیاس نانو و از نظر توپولوژیکی محافظت شده نشان دهد.

“به طور معمول، مواد مغناطیسی می توانند تغییر بسیار جزئی در جذب و قطبش نور ایجاد کنند. در این آزمایش‌ها، ما تغییرات بسیار قابل توجهی در پاسخ نوری (تا ۲۰ درصد) ایجاد کردیم.

ون دایکن می‌گوید چنین چیزی قبلاً دیده نشده بود.

پروفسور آکادمی Päivi Törmä اضافه می کند که:

“این نتایج پتانسیل زیادی برای تحقق ساختارهای فوتونیک توپولوژیکی دارند که در آن اثرات مغناطیسی با انتخاب مناسب هندسه آرایه نانوذرات تقویت می شود.”

این یافته‌ها نتیجه همکاری طولانی‌مدت بین گروه نانومغناطیس و اسپینترونیک به رهبری پروفسور ون دایکن و گروه دینامیک کوانتومی به رهبری پروفسور تورما، هر دو در گروه فیزیک کاربردی دانشگاه آلتو است.

مرجع: DOI: 10.1038/s41566-021-00922-8

پایگاه اطلاع رسانی ایران رصد، به نقل از سایتک دیلی، تنها یک میلیونم ثانیه پس از انفجار بزرگ یا مه‌بانگ (Big Bang)، همه چیز در جهانِ فیزیکیِ شناخته شده به حرکت درآمد. قبل از آن، کیهان مملو از پلاسمای تریلیون درجه‌ای متشکل از کوارک‌ها و گلوئون‌ها بود که ذرات بنیادی هستند که فقط برای دوره‌های نسبتاً کوتاهی قبل از سرد شدن و تبدیل شدن به ذرات پایدارتر وجود داشتند.

نوترون‌ها و پروتون‌هایی که ماده متعارف امروزی ما را تشکیل می‌دهند، از این ذرات به وجود آمدند. اما قبل از سرد شدن، بخش کوچکی از این گلوئون‌ها و کوارک‌ها به طور تصادفی با هم برخورد کردند و ذرات “ایگز”(X) را تشکیل دادند که دوام زیادی نداشتند.

” کوارک “(Quark) یک ذره بنیادی و یکی از اجزای پایه‌ای تشکیل‌دهنده ماده است.

کوارک‌ها با هم ترکیب می‌شوند تا ذرات مرکبی به نام “هادرون” را پدید آورند که پایدارترین آنها پروتون و نوترون، اجزای تشکیل‌دهنده هسته اتم هستند. به دلیل پدیده‌ای که به “حبس رنگ” معروف است، کوارک‌ها هیچ‌گاه به صورت انفرادی یافت نمی‌شوند و مستقیماً قابل مشاهده نیستند، آنها را فقط می‌توان درون هادرون‌هایی مانند باریون‌ها که نمونه‌های آنها پروتون و نوترون هستند و مزون‌ها یافت. به همین دلیل بیشتر دانش ما از کوارک‌ها از مشاهدات خود هادرون‌ها نتیجه‌گیری شده‌ است.

کوارک‌ها ویژگی‌های ذاتی گوناگونی دارند که بار الکتریکی، بار رنگ، اسپین و جرم از جمله این ویژگی‌ها هستند. کوارک تنها ذره بنیادی از مدل استاندارد فیزیک ذرات است که هر چهار برهمکنش بنیادی را تجربه می‌کند. به این برهمکنش‌ها نیروهای بنیادی(الکترومغناطیس، هسته‌ای قوی، هسته‌ای ضعیف، گرانش) نیز گفته می‌شود. همچنین کوارک تنها ذره‌ای است که بار الکتریکی آن مضرب صحیحی از بار بنیادی نیست. شش گونه مختلف از کوارک‌ها وجود دارد که به هر یک از آنها یک مزه یا چاشنی می‌گویند.

“گلوئون”(Gluon) نیز ذره‌ای است که بین کوارک‌ها مبادله می‌شود تا آنها را به هم پیوند دهد.

به این ترتیب گلوئون‌ها به طور غیرمستقیم مسئولیت جاذبه بین پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته اتم را به عهده می‌گیرند. گلوئون از کلمه “glue ” به معنای چسب گرفته شده است. به عنوان مثال اگر یک پروتون متحرک باشد، نیمی از تکانه آن توسط سه کوارک آن تأمین می‌شود و نیمی دیگر از آن توسط تعداد زیادی گلوئون تأمین می‌شود.

طبق مطالعه تازه منتشر شده در مجله Physical Review Letters، دانشمندان موسسه فناوری ماساچوست(MIT) که با “سرن” همکاری می‌کنند. با وجود نادر بودن ساختارهای این ذرات مرموز و ناشناخته، شواهدی از ذرات  X در پلاسمای کوارک-گلوئون تولید شده توسط برخورددهنده بزرگ هادرونی(LHC) پیدا کرده‌اند.

“پلاسمای کوارک-گلوئون “(quark–gluon plasma) یا سوپ کوارک یک فاز در کرومودینامیک کوانتومی است. که در دما یا چگالی‌های بسیار بالا رخ می‌دهد.

در این فاز، ماده تقریباً فقط کوارک و گلوئون آزاد است که هر دو از بنیادی‌ترین ذرات سازنده ماده هستند. دانشمندان فیزیک ذرات بر این عقیده‌اند که این پلاسما در اولین میکروثانیه‌های پس از مه‌بانگ وجود داشته‌ است و بررسی خواص این پلاسما کمک بزرگی به درک چگونگی آغاز جهان می‌کند.

“ین-جی لی” نویسنده اصلی این مطالعه از MIT در یک بیانیه مطبوعاتی گفت:

این فقط شروع ماجرا است. مهم‌تر از همه اینکه می‌تواند اولین فرصتی باشد که دانشمندان برای بررسی دقیق ذرات X با جزئیات دقیق دارند که تصویر بهتری از انفجار بزرگ ایجاد می‌کند.

ذرات X نادر هستند، زیرا ما هر روز با یک مه‌بانگ مواجه نیستیم. اما فیزیکدانان گمان می‌کنند که آنها درون شتاب‌دهنده‌های ذرات از طریق فرآیندی به نام ادغام کوارک که برخوردهای پرانرژی منجر به جرقه‌هایی از پلاسما می‌شود. که ممکن است شرایط آشفته و خام جهان جوان را شبیه‌سازی کند. ظاهر می‌شوند.

اکنون فیزیکدانان MIT در آزمایشگاه علوم هسته‌ای این موسسه و آزمایشگاه‌های دیگر، شواهدی را کشف کرده‌اند که نشان می‌دهد. ذرات X می‌توانند در برخورددهنده بزرگ هادرونی در سرن واقع در ژنو سوئیس تولید شوند.

این کشف از طریق تکنیک‌های وابسته به یادگیری ماشینی انجام شد. که فیزیکدانان را قادر ساخت تا بیش از ۱۳ میلیارد برخورد یون سنگین را تجزیه و تحلیل کنند که همه آنها دهها هزار ذره باردار را ایجاد کردند و محققان با بررسی این ترکیب فوق متراکم و پرانرژی، تقریباً ۱۰۰ ذره X به ویژه نوع ۳۸۷۲ را که بر اساس جرم تخمینی ذره نام‌گذاری شده‌اند، شناسایی کردند.

این اولین باری است که دانشمندان با موفقیت ذرات X را در این پلاسمای کوارک-گلوئون به روشی شناسایی کردند. که دانشمندان فکر می‌کنند ممکن است ساختار مرموز آنها را آشکار کند.

“لی” می‌گوید: ما نشان داده‌ایم که می‌توانیم یک نشانه پیدا کنیم. در چند سال آینده می‌خواهیم از پلاسمای کوارک-گلوئون برای بررسی ساختار درونی ذره X استفاده کنیم که می‌تواند دیدگاه ما را در مورد نوع ماده‌ای که جهان می‌بایست تولید کرده باشد، تغییر دهد.

بشر مدت‌هاست که می‌داند نوترون‌ها و پروتون‌ها بلوک‌های ساختمانی اصلی اتم‌ها و ماده هستند. اما اینها به نوبه خود از سه کوارک تشکیل شده‌اند که بسیار محکم به هم چسبیده‌اند. “لی” می‌گوید: سال‌ها فکر می‌کردیم که طبیعت بنا به دلایلی، انتخاب کرده است تا ذرات ساخته شده از دو یا سه کوارک را تولید کند. از آنجایی که ذره X از نوع ۳۸۷۲ در سال ۲۰۰۳ طی یک آزمایش در ژاپن کشف شد، دانشمندان حدس می‌زنند که این ذره یک تتراکوارک فشرده یا یک نوع کاملاً جدید از مولکول است که به جای اتم‌ها از مزون‌ها به وجود می‌آید که از دو کوارک تشکیل شده است.

وی افزود: در حال حاضر داده‌های ما با هر دو سازگار است و چند سال مطالعه بیشتر برای تمایز بین هر دو سناریو و گسترش دیدگاه ما در مورد انواع ذراتی که در کیهان اولیه به وفور تولید شده‌اند، مورد نیاز است.

نظریه مه‌بانگ یا بیگ‌بنگ معتبرترین مدل میان مدل‌های کنونی کیهان‌شناسی شامل دریای سیاه‌چاله، جهان‌های متناوب و جهان از هم گسسته است که وجود جهان قابل مشاهده را از ابتدایی‌ترین دوران شناخته‌ شده در سراسر دوره تکامل آن توضیح می‌دهد. این مدل توصیف می‌کند که چگونه جهان از یک وضعیت نخستین با دما و چگالی بسیار زیاد در گذر زمان انبساط یافته ‌است و برای طیف گسترده‌ای از پدیده‌های مشاهده‌ شده از جمله فراوانی عناصر سبک، تابش زمینه کیهانی و ساختار بزرگ مقیاس، توضیح جامعی ارائه می‌دهد.

مهم‌تر از همه این پدیده‌ها، سازگاری این نظریه با “قانون هابل-لومتر” است که می‌گوید هرچه کهکشان‌ها از زمین دورتر باشند، سرعت دور شدن آنها از زمین نیز بیشتر است.

با برون‌یابی انبساط جهان به سمت عقب در طول زمان و با استفاده از قوانین شناخته‌ شده فیزیک، جهان متراکم‌تر و متراکم‌تر می‌شود تا به یک نقطه تکینگی می‌رسیم که در آن زمان و فضا معنی خود را از دست می‌دهند. این نقطه با نام “تکینگی مه‌بانگ” شناخته می‌شود. اندازه‌گیری‌های جزئی نرخ انبساط جهان، این نقطه تکینگی را حدود ۱۳٫۸ میلیارد سال پیش نشان می‌دهد که می‌توان این رقم را سن جهان در نظر گرفت.

پس از انبساط اولیه، جهان به اندازه کافی سرد شد که امکان پیدایش ذرات زیراتمی و بعدها اتم‌های ساده پدید آید. به هم پیوستن ابرهای غول‌پیکر از عناصر اولیه(بیشتر از همه هیدروژن به همراه مقداری هلیم و لیتیم) بر اثر نیروی گرانش، باعث پیدایش ستارگان و کهکشان‌ها شد. در کنار این عناصر سازنده نخستین، اخترشناسان آثار گرانشی مربوط به یک ماده تاریک ناشناخته که کهکشان‌ها را احاطه کرده را نیز مشاهده نموده‌اند. به نظر می‌رسد که بیشتر پتانسیل گرانشی جهان در این شکل باشد و نظریه مه‌بانگ و سایر مشاهدات مختلف دلالت بر این دارند که این پتانسیل گرانشی اضافی از ماده باریونی(مثل اتم‌های عادی) ناشی نمی‌شود. اندازه‌گیری پدیده انتقال به سرخ نشان داد که انبساط جهان، شتاب‌دار است و شتاب‌دار بودن آن نیز به وجود انرژی تاریک مربوط می‌شود.

سرن(CERN) یا سازمان اروپایی پژوهش‌های هسته‌ای(بزرگ‌ترین آزمایشگاه فیزیک ذره‌ای جهان است که در سال ۱۹۵۴ در بخش شمال‌شرقی شهر ژنو در کشور سوییس در مجاورت مرز فرانسه ایجاد شد.

اکنون بیست کشور اروپایی عضو این سازمان بوده و بیش از ۲٬۶۰۰ کارمند به ‌طور تمام وقت و همچنین در حدود ۷٬۹۳۱ دانشمند و مهندس(به نمایندگی از ۵۸۰ دانشگاه و مؤسسهٔ پژوهشی از ۸۰ کشور جهان) در آن مشغول به کار هستند.

فعالیت اصلی “سرن” تهیه و ارائه شتاب‌دهنده ذرات و دیگر زیربناها و ابزارهایی است که برای پژوهش‌های فیزیکی در انرژی‌های بالا استفاده می‌شوند. چهار آشکار ساز بزرگِ سرن، حاصل همکاری‌های بین‌المللی هستند. مقر اصلی این سازمان واقع در “میرن” یکی از شهرهای تابع ژنو، شامل یک مرکز رایانه‌ای نیز هست. این مرکز دارای امکانات پردازشی قدرتمندی است و به شکل ویژه‌ای برای بررسی داده‌های حاصل از آزمایش‌ها ساخته شده ‌است.

سرن به عنوان یک تأسیسات جهانی، نه تحت حوزه قضایی و حکومتی دولت سوییس و نه تحت نظارت دولت فرانسه اداره می‌شود.

این آزمایشگاه به شکل دایره است و قطر این دایره حدود ۶۰ کیلومتر است.

برخورددهنده هادرونی بزرگ یک شتاب‌دهنده ذره‌ای و برخورددهنده مستقر در سازمان تحقیقاتی سرن است. این پروژه در تاریخ ۱۰ سپتامبر ۲۰۰۸ میلادی(۲۰ شهریور ۱۳۸) پس از ۲۰ سال آماده‌سازی، آغاز به کار کرد. هدف از ساختن آن شناخت اجرام ماده در حد فاصل ۱۰ به توان منفی ۲۳ سانتی‌متر، آزمون مدل استاندارد ذرات، کشف اجزای یافت‌نشده مدل استاندارد، آزمون نظریه ابرتقارن و نظریه وحدت بزرگ است. از دیگر اهداف مهم این پروژه، کشف و بررسی ذره بنیادی “هیگز” است. ذره هیگز یا بوزون-هیگز در ایجاد جرم در ذرات بنیادی دخیل است. در این آزمایشگاه، پروتون‌ها در یک تونل ۲۷ کیلومتری شتاب گرفته و به اندازه ۱۴ تریلیون الکترون‌ولت انرژی می‌گیرند و با هم برخورد می‌کنند تا این برخورد، ردی از بوزون-هیگز را نشان‌ دهد.

این شتاب‌دهنده در تاریخ ۱۰ سپتامبر ۲۰۰۸ راه‌اندازی شد، ولی ۹ روز بعد به علت نقص فنی و بالا رفتن دمای آهن‌رباهای ابر رسانا که باید در دماهای پایین کار کنند، متوقّف شد. این شتاب‌دهنده بعد از ۱۴ ماه وقفه در تاریخ ۲۱ نوامبر ۲۰۰۹ مجددا راه‌اندازی شد.

مرکز کنترل سرن هرگونه کنترل و سازماندهی اساسی را بر روی این شتاب‌دهنده انجام می‌دهد. در برخورد دهنده بزرگ هادرونی تونل‌ها طوری طراحی و برنامه‌ریزی شده‌اند که در سراسر مسیرِ حلقه‌ای شکل، چهار برخورد برای پروتون‌ها صورت می‌گیرد که این نقاط، محل قرارگیری آزمایش‌ها هستند.

به گزارش پایگاه اطلاع رسانی ایران رصد، محققان MIT در حال آزمایش توانایی یک نظریه آشفتگی ساده برای مدل‌سازی پدیده‌های پیچیده پلاسما با استفاده از یک تکنیک جدید یادگیری ماشینی هستند.

برای تبدیل انرژی همجوشی به منبعی مناسب برای شبکه انرژی جهان، محققان باید حرکت آشفته پلاسما را درک کنند( ترکیبی از یون‌ها و الکترون‌هایی که در لوله های راکتور می‌چرخند.) ذرات پلاسما، به دنبال خطوط میدان مغناطیسی در محفظه های حلقوی موسوم به توکامک، باید به اندازه کافی محصور شوند تا دستگاه های همجوشی بتوانند دستاوردهای قابل توجهی در انرژی خالص ایجاد کنند، این چالش زمانی است که لبه داغ پلاسما بیش از ۱ میلیون درجه سانتیگراد تنها چند سانتی متر ازدیواره های جامد بسیار سردترلوله های  آن فاصله دارد.

Abhilash Mathews، کاندیدای دکترا در دپارتمان علوم و مهندسی هسته‌ای که در مرکز علوم و فیوژن پلاسما MIT (PSFC) کار می‌کند، معتقد است که این لبه پلاسما منبعی غنی از سوالات بی‌پاسخ است.

برای درک بهتر شرایط لبه، دانشمندان بر مدل‌سازی تلاطم در این مرز با استفاده از شبیه‌سازی‌های عددی تمرکز می‌کنند که به پیش‌بینی رفتار پلاسما کمک می‌کند. با این حال، شبیه‌سازی‌های «اصول اول» این منطقه از چالش‌برانگیزترین و زمان‌برترین محاسبات در تحقیقات همجوشی هستند. اگر محققان بتوانند مدل‌های رایانه‌ای «کاهش‌یافته» را که بسیار سریع‌تر، اما با سطوح دقت کمی کار می‌کنند، توسعه دهند، پیشرفت می‌تواند تسریع شود.

برای دهه‌ها، فیزیکدانان توکاماک به‌رغم عدم قطعیت در مورد دقت، به طور مرتب از یک «نظریه دو سیال» کاهش‌یافته به جای مدل‌های با وفاداری بالاتر برای شبیه‌سازی پلاسمای مرزی در آزمایش استفاده کرده‌اند. در  انتشارات اخیر، ماتیوس مستقیماً آزمایش دقت این مدل تلاطم پلاسما کاهش یافته را به روشی جدید آغاز می کند: او فیزیک را با یادگیری ماشین ترکیب می کند.

ماتیوس توضیح می‌دهد:

“یک نظریه موفق قرار است آنچه را که می‌خواهید مشاهده کنید، پیش‌بینی کند، مثلاً دما، چگالی، پتانسیل الکتریکی، جریان‌ها. و این روابط بین این متغیرها است که اساساً یک نظریه آشفتگی را تعریف می کند. آنچه کار ما اساساً بررسی می کند، رابطه دینامیکی بین دو مورد از این متغیرها است: میدان الکتریکی متلاطم و فشار الکترون.”

استفاده از تکنیک جدید یادگیری عمیق

در مقاله اول که در Physical Review E منتشر شد، متیوز از یک تکنیک جدید یادگیری عمیق استفاده می‌کند. که از شبکه‌های عصبی مصنوعی برای ساختن نمایش‌هایی از معادلات حاکم بر نظریه سیال کاهش‌یافته استفاده می‌کند. با این چارچوب، او راهی برای محاسبه میدان الکتریکی آشفته از نوسانات فشار الکترون در پلاسما مطابق با نظریه سیال کاهش یافته نشان می دهد. مدل‌هایی که معمولاً برای ارتباط میدان الکتریکی با شکسته شدن فشار در پلاسماهای آشفته استفاده می‌شوند. اما این مدل حتی برای اندازه‌گیری فشار پر سر و صدا نیز قوی است.

در مقاله دوم، منتشر شده در Physics of Plasmas، Mathews این ارتباط را بیشتر بررسی می کند. و آن را در مقابل شبیه سازی تلاطم با وفاداری بالاتر قرار می دهد. ارزیابی دقیق این اولین مقایسه در نوع خود از تلاطم در بین مدل‌ها قبلاً دشوار – اگر نگوییم غیرممکن – بود. ماتیوس دریافت که در پلاسمای مربوط به دستگاه های همجوشی موجود، میدان های آشفته پیش بینی شده مدل سیال کاهش یافته با محاسبات با وفاداری بالا سازگار است. در این معنا، نظریه تلاطم کاهش یافته کار می کند. اما ماتیوس می گوید برای تایید کامل آن، “باید هر ارتباط بین هر متغیر را بررسی کرد.”

جری هیوز، مشاور ماتیوس، دانشمند اصلی تحقیقات، خاطرنشان می کند که شبیه سازی تلاطم پلاسما بسیار دشوار است، بیشتر از تلاطم آشنا که در هوا و آب مشاهده می شود. این کار نشان می‌دهد که، تحت مجموعه‌ای از شرایط مناسب، تکنیک‌های یادگیری ماشینی مبتنی بر فیزیک می‌توانند تصویری بسیار کامل از پلاسمای لبه‌ای که به سرعت در حال نوسان است، از مجموعه‌ای محدود از مشاهدات، ترسیم کنند. «من هیجان زده هستم که ببینم چگونه می‌توانیم این را در آزمایش‌های جدید به کار ببریم، که در آن اساساً هرگز هر مقداری را که می‌خواهیم مشاهده نمی‌کنیم.»

کاربرد مطالعات

این روش‌های یادگیری عمیق مبتنی بر علم فیزیک، راه‌های جدیدی را برای آزمایش نظریه‌های قدیمی و گسترش آنچه می‌توان از آزمایش‌های جدید مشاهده کرد، هموار می‌کند. دیوید هچ، دانشمند محقق در موسسه مطالعات فیوژن در دانشگاه تگزاس در آستین، معتقد است که این کاربردها شروع یک تکنیک جدید امیدوارکننده هستند.

او می‌گوید: «این تکنیک یک دستاورد بزرگ با پتانسیل برای کاربرد گسترده است. به عنوان مثال، با توجه به اندازه‌گیری‌های تشخیصی محدود یک کمیت پلاسما خاص، یادگیری ماشینی مبتنی بر فیزیک می‌تواند مقادیر پلاسمای اضافی را در یک حوزه نزدیک استنتاج کند، در نتیجه اطلاعات ارائه‌شده توسط یک تشخیص مشخص را افزایش می‌دهد. این تکنیک همچنین استراتژی‌های جدیدی را برای اعتبارسنجی مدل باز می‌کند.”

ماتیوس تحقیقات هیجان انگیزی را پیش رو می بیند.

او می‌گوید: «تبدیل این تکنیک‌ها به آزمایش‌های همجوشی برای پلاسمای لبه واقعی یکی از اهدافی است که ما در نظر داریم، و کار در حال حاضر در حال انجام است. “اما این تازه شروع کار است.”

منبع :

“Uncovering turbulent plasma dynamics via deep learning from partial observations” by A. Mathews, M. Francisquez, J. W. Hughes, D. R. Hatch, B. Zhu and B. N. Rogers, 13 August 2021 , Physical Review E.
DOI: 10.1103/PhysRevE.104.025205

“Turbulent field fluctuations in gyrokinetic and fluid plasmas” by A. Mathews, N. Mandell, M. Francisquez, J. W. Hughes and A. Hakim, 1 November 2021, Physics of Plasmas.
DOI: 10.1063/5.0066064

پایگاه اطلاع رسانی ایران رصد، به گزارش سایتک دیلی هنگامی که دو ورقه از گرافن نانومواد کربنی در یک زاویه خاص نسبت به یکدیگر روی هم چیده می‌شوند، فیزیک شگفت‌انگیزی ایجاد می‌کند.

به عنوان مثال، هنگامی که این به اصطلاح “گرافن با زاویه جادویی” تا نزدیک به صفر مطلق خنک می شود، ناگهان تبدیل به یک ابررسانا می شود، به این معنی که الکتریسیته را با مقاومت صفر هدایت می کند.

اکنون یک تیم تحقیقاتی از دانشگاه براون یک پدیده جدید شگفت‌انگیز پیدا کرده‌اند که می‌تواند در گرافن با زاویه جادویی ایجاد شود. در تحقیقی که در مجله Science منتشر شد، این تیم نشان داد که با القای پدیده ای به نام جفت شدن مدار چرخشی، گرافن با زاویه جادویی تبدیل به یک فرومغناطیس قدرتمند می شود.

جیا لی، استادیار فیزیک در براون و نویسنده ارشد این تحقیق می‌گوید:

«مغناطیس و ابررسانایی معمولاً در فیزیک ماده متراکم در دو انتهای طیف قرار دارند و به ندرت پیش می‌آید که در یک پلتفرم ماده ظاهر شوند. با این حال ما نشان داده‌ایم که می‌توانیم مغناطیس را در سیستمی ایجاد کنیم که در اصل میزبان ابررسانایی است. این روشی جدید برای مطالعه تعامل بین ابررسانایی و مغناطیس به ما می دهد و امکانات جدید هیجان انگیزی را برای تحقیقات علوم کوانتومی فراهم می کند.

گرافن با زاویه جادویی

گرافن با زاویه جادویی در سال های اخیر سر و صدای زیادی در فیزیک ایجاد کرده است. آن یک ماده دو بعدی است که از اتم‌های کربن ساخته شده است که به شکل لانه زنبوری چیده شده‌اند. صفحات منفرد گرافن به خودی خود جالب هستند – استحکام مواد قابل توجه و رسانایی الکتریکی بسیار کارآمد را نشان می دهند. اما وقتی صفحات گرافن روی هم چیده می‌شوند، همه چیز جالب‌تر می‌شود. الکترون‌ها نه تنها با الکترون‌های دیگر درون یک صفحه گرافن، بلکه با الکترون‌های موجود در ورق مجاور نیز شروع به تعامل می‌کنند. تغییر زاویه ورقه ها نسبت به یکدیگر این برهمکنش ها را تغییر می دهد. و پدیده های کوانتومی جالبی مانند ابررسانایی را به وجود می آورد.

این تحقیق جدید چین و شیارهای جدیدی – جفت چرخشی مدار – را به این سیستم جالب اضافه می کند. جفت شدن مدار اسپین حالتی از رفتار الکترون در مواد خاصی است که در آن اسپین هر الکترون ( گشتاور مغناطیسی کوچک آن که به سمت بالا یا پایین می رود. )به مدار آن در اطراف هسته اتم مرتبط می شود.

جیانگ-زیازی لین، محقق فوق دکتری در براون و نویسنده اصلی این مطالعه، می‌گوید:

«می‌دانیم که جفت‌شدن مدار چرخشی طیف گسترده‌ای از پدیده‌های کوانتومی جالب را ایجاد می‌کند. اما معمولاً در گرافن بازاویه جادویی وجود ندارد.» ما می‌خواستیم کوپلینگ مدار چرخشی را معرفی کنیم و سپس ببینیم که چه تأثیری بر سیستم دارد.»

روش کار

برای انجام این کار، لی و تیمش گرافن بازاویه جادویی را با بلوکی از تنگستن دیزلنید، ماده ای که دارای جفت شدن مدار چرخشی قوی است، پیوند دادند. تراز کردن پشته به طور دقیق باعث جفت شدن مدار چرخشی در گرافن می شود. از آنجا، تیم سیستم را با جریان های الکتریکی خارجی و میدان های مغناطیسی بررسی کردند.

آزمایش‌ها نشان داد که جریان الکتریکی در یک جهت در سراسر ماده در حضور یک میدان مغناطیسی خارجی، ولتاژی در جهت عمود بر جریان تولید می‌کند. این ولتاژ، که به عنوان اثر هال شناخته می شود، نشان دهنده یک میدان مغناطیسی ذاتی در ماده است.

با کمال تعجب تیم تحقیقاتی، آنها نشان دادند که حالت مغناطیسی را می توان با استفاده از یک میدان مغناطیسی خارجی کنترل کرد. میدان مغناطیسی که یا در صفحه گرافن یا خارج از صفحه قرار دارد. این در تضاد با مواد مغناطیسی بدون جفت چرخشی مدار است. که در آن مغناطیس ذاتی تنها زمانی قابل کنترل است که میدان مغناطیسی خارجی در جهت مغناطیس در یک راستا قرار گیرد.

یاهوی ژانگ، فیزیکدان نظری از دانشگاه هاروارد که با این تیم در براون کار می‌کرد میگوید: «این مشاهدات نشان‌دهنده این است که جفت‌شدن مدار چرخش واقعاً وجود دارد. و سرنخی برای ساخت یک مدل نظری برای درک تأثیر رابط اتمی ارائه می‌کند. برای درک فیزیک مرتبط با مغناطیس مشاهده شده.

کاربردها

ارین موریسیت، دانشجوی فارغ التحصیل براون که برخی از کارهای آزمایشی را انجام داده است، می گوید: «تاثیر منحصر به فرد جفت شدن مدار چرخشی به دانشمندان یک دستگیره آزمایشی جدید می دهد تا تلاش کنند تا رفتار گرافن با زاویه جادویی را درک کنند. “یافته ها همچنین پتانسیلی برای کاربردهای دستگاه های جدید دارند.”

یکی از کاربردهای ممکن در حافظه کامپیوتر است. این تیم دریافت که خواص مغناطیسی گرافن با زاویه جادویی را می توان با میدان های مغناطیسی خارجی و میدان های الکتریکی کنترل کرد. که این سیستم دو بعدی را به یک نامزد ایده آل برای یک دستگاه حافظه مغناطیسی با گزینه های خواندن/نوشتن انعطاف پذیر تبدیل می کند.

به گفته محققان، یکی دیگر از کاربردهای بالقوه در محاسبات کوانتومی است. رابط بین فرومغناطیس و ابررسانا به عنوان یک بلوک ساختمانی بالقوه برای کامپیوترهای کوانتومی پیشنهاد شده است.

با این حال، مشکل این است که ایجاد چنین رابطه ای دشوار است چراکه  آهنرباها به طور کلی برای ابررسانایی مخرب هستند. اما ماده ای که هم قادر به فرومغناطیس و هم ابررسانایی باشد می تواند راهی برای ایجاد آن رابط فراهم کند.

لی گفت: “ما در حال کار روی استفاده از رابط اتمی برای تثبیت ابررسانایی و فرومغناطیس به طور همزمان هستیم.” “همزیستی این دو پدیده در فیزیک نادر است و مطمئناً هیجان بیشتری را باز می کند.”

منبع :  “Spin-orbit–driven ferromagnetism at half moiré filling in magic-angle twisted bilayer graphene” by Jiang-Xiazi Lin, Ya-Hui Zhang, Erin Morissette, Zhi Wang, Song Liu, Daniel Rhodes, K. Watanabe, T. Taniguchi, James Hone and J. I. A. Li, 6 January 2022, Science.
DOI: 10.1126/science.abh2889

به گزارش پایگاه اطلاع رسانی ایران رصد به نقل از ساینس آلرت شش برهمکنش نوترینو که با استفاده از آشکارساز فرعی FASERnu کشف شدند، نه تنها نشان می‌دهند که این تکنولوژی امکانپذیر است، بلکه مسیر جدیدی را برای مطالعه‌ی این ذرات اسرارآمیز به ویژه در انرژی‌های بالا معرفی می‌کند. فیزیکدان “جاناتان فِنگ” یکی از مسئولان گروه مشارکت FASER از دانشگاه کالیفرنیا ارواین گفت: «قبل از این پروژه، هیچ وقت نشانه‌ای از نوترینوها در یک برخورد دهنده ذره‌ای کشف نشده بود. این پیشرفت چشمگیر گامی به سوی درک عمیق‌تری از این ذرات گریزان و نقش آنها در کیهان می‌باشد.»

نوترینو چیست؟

نوترینوها در حقیقت در همه جا حضور دارند. آنها یکی از فراوان‌ترین ذرات زیراتمی در کیهان هستند، اما فاقد بار هستند و جرم آنها تقریباً صفر است. اگرچه آنها تقریباً با سرعت نور در کیهان حرکت می‌کنند، اما به ندرت با چیزی برهمکنش دارند. میلیاردها نوترینو همین حالا در حال عبور از بدن شما هستند. برای یک نوترینو، بقیه‌ی کیهان اساساً غیرمادی هستند، به همین دلیل به آنها “ذرات شبح‌مانند” نیز می‌گویند.

اگرچه این ذرات به ندرت برهمکنش دارند، اما این به معنی هرگز نیست. آشکارسازهایی مثل آیس کیوب در قطب جنوب، سوپر کامیوکانده در ژاپن و MiniBooNE در آزمایشگاه فِرمی در امریکا از آرایه‌های نوری حساس استفاده می‌کنند؛ این آرایه‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که می‌توانند بارش‌های نوری ناشی از برهمکنش یک نوترینو با ذرات دیگر را در یک محیط کاملاً تاریک تشخیص دهند.

اما برای مدت طولانی، دانشمندان می‌خواستند نوترینوهای تولید شده در برخورد دهنده‌های ذره‌ای را نیز مطالعه کنند، زیرا نوترینوهای برخورد دهنده که عمدتاً از فروپاشی هاردون ظاهر می‌شوند دارای انرژی‌های بسیار بالایی هستند که به خوبی مورد بررسی قرار نمی‌گیرند. کشف نوترینوها در برخورد دهنده، باعث دسترسی به انرژی‌ها و انواع نوترینوهایی می‌شوند که به ندرت در مکان‌های دیگر دیده می‌شوند.

FASERnu

FASERnu به آشکارساز امولسیونی معروف است. صفحات سرب و تنگستن یکی در میان در لایه‌های امولسیون قرار می‌گیرند: در حین آزمایشات ذره‌ای در شتاب دهنده، نوترینوها می‌توانند با هسته‌هایی در صفحات سرب و تنگستن برهمکنش داشته باشند و ذراتی را تولید کنند که ردهایی را از خود در لایه‌های امولسیون به جا می‌گذارند، این کمی شبیه رد پرتوهای یونیزان در یک محفظه ابری است.

صفحات باید شبیه فیلم عکاسی توسعه داده شوند. سپس، فیزیکدانان می‌توانند رد ذرات را تجزیه و تحلیل کنند تا ببینند چه چیزی آنها را ایجاد کرده است؛ چه نوترینو بوده باشد، چه از نوع یا طعم نوترینو. سه طعم نوترینو وجود دارد – الکترون، میون و تائو – بعلاوه‌ی همتایان پاد نوترینوی آنها.

اثربخشیِ استفاده از یک “آشکارساز امولسیونی”

در آزمایش FASERnu که در سال ۲۰۱۸ انجام شد، شش برهمکنش نوترینوی داوطلب در لایه‌های امولسیون ثبت شدند. با توجه به اینکه چند ذره در شتاب دهنده تولید می‌شود، ممکن است این مقدار زیاد به نظر نرسد، اما دو اطلاعات حیاتی به محققان داد. “فنگ” گفت: «اول اینکه، تأیید کرد که موقعیتِ رو به جلوی نقطه تعاملِ اطلس در شتاب دهنده، مکان مناسبی برای تشخیص نوترینوها است. دوم اینکه، تلاش‌های ما اثربخشیِ استفاده از یک “آشکارساز امولسیونی” برای مشاهدۀ این نوع برهمکنش‌های نوترینو را ثابت کرد.»

آشکارساز آزمایشی دستگاه نسبتاً کوچکی با وزن تقریبی ۲۹ کیلوگرم بود. این تیم در حال حاضر بر روی نسخه کاملی با وزن تقریبی ۱۱۰۰ کیلوگرم کار می‌کند. این ابزار جدید به شدت حساس‌تر خواهد بود و به محققان کمک می‌کند تا بین طعم‌های نوترینو و همتایان پادنوترینوی آنها تمایز قائل شوند.

آشکارسازی ماهیت ماده تاریک در آینده

فیزیکدانان انتظار دارند در سومین اجرای برخورد دهنده بزرگ هادرون، ۲۰۰ میلیارد نوترینوی الکترون، ۶ تریلیون نوترینوی میون و ۹ میلیارد نوترینوی تاو و پادنوترینوهای آنها را تولید کنند. از آنجایی که ما تا به امروز مجموعاً فقط حدود ۱۰ نوترینوی تائو را ردیابی کرده‌ایم، این کار بسیار بزرگی است.

همچنین این همکاری طعمه‌های گریزان‌تری را دنبال می‌کند. آنها امیدوارند “فوتون‌های تاریک” را کشف نمایند، که در حال حاضر فرضی هستند، اما می‌توانند ماهیت ماده تاریک را آشکار کنند. “ماده تاریک” همان جرم مرموز و غیرقابل شناسایی است که بیشتر جرم در کیهان را تشکیل می‌دهد. اما کشف نوترینوها به تنهایی مرحله‌ای به شدت هیجان‌انگیز برای درک اجزای بنیادی کیهان است.

“دیوید کسپر” فیزیکدان و اخترشناس دانشگاه کالیفرنیا و یکی از مسئولان پروژه FASER گفت:

«با توجه به قدرت آشکارساز جدید ما و مکان اصلی آن در سرن، انتظار داریم بیش از ۱۰ هزار برهمکنش نوترینویی را در راه‌اندازی بعدی شتاب دهنده در سال ۲۰۲۲ ثبت کنیم. ما پرانرژی‌ترین نوترینوهایی که تاکنون از یک منبع ساخته‌ی انسان تولید شده‌اند را کشف خواهیم کرد.»

جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریۀ Physical Review D منتشر شده است.