Fizikanët më në fund vëzhgojnë një gjendje ekzotike të materies, e parashikuar për herë të parë në 1973

Një ekip studiuesish ka vëzhguar një gjendje të materies të paparë kurrë më parë, të quajtur një lëng kuantik spin, duke luajtur me rrotullimet në atomet e rubidiumit të superftuar duke përdorur një simulator kuantik. Zbulimi ka implikime për mënyrën se si funksionojnë kompjuterët kuantikë dhe, ndoshta një ditë, mjediset në të cilat materialet mund të jenë superpërcjellëse.

Ka shumë gjendje (të njohura edhe si faza) të materies për t’u zbuluar përtej ngurtësimit, lëngut dhe gazit tradicional nga Kimia 101. Gjendja e diçkaje i referohet strukturës së saj në një nivel atomik dhe vetive të saj – për shembull, sa e ngurtë është strukturat molekulare janë ose si janë rregulluar elektronet e saj rreth bërthamës atomike.

Ekzistenca e një gjendjeje të veçantë të materies, e quajtur një lëng kuantik spin, u parashikua në vitin 1973 nga i ndjeri Philip W. Anderson dhe është studiuar që atëherë. Por kërkimi mbi gjendjen ishte i ngarkuar me paralajmërime: lëngjet e rrotullimit kuantik “të shfaqur”, “të përafërt” dhe “kandidatë” ishin të shumtë. Ekipi i fundit – një grup shkencëtarësh nga Universiteti i Harvardit, MIT dhe Universiteti i Innsbruck në Austri – thonë se kanë gjetur një shembull të gjësë reale dhe kanë publikuar vëzhgimet e tyre në revistën Science.

“Kur P. W. Anderson propozoi për herë të parë idenë e këtyre gjendjeve të lëngshme rrotulluese, ai ishte pikërisht në kërkim të një modeli të mundshëm mikroskopik për të shpjeguar superpërçuesit me temperaturë të lartë,” Giulia Semeghini, autorja kryesore e punimit dhe një fizikan kuantik në Harvard.

Ndërsa lidhja midis lëngjeve të rrotullimit kuantik dhe superpërçuesve të ngrohtë mbetet e paqartë, tani një model i tillë mikroskopik është zhvilluar.

Për të gjetur gjendjen e materies, ekipi përdori diçka të quajtur simulator kuantik për të imituar fizikën që ndodh në trupat e ngurtë deri në nivelin atomik. Simulatori përdor forma gjeometrike për të përfaqësuar orientimin e 219 atomeve të rubidiumit në një rrjetë, të cilat ekipi më pas ishte në gjendje t’i manipulonte sipas dëshirës. (Makina quhet simulator kuantik sepse nuk është një kompjuter kuantik; është një sistem bitash kuantikë të krijuar për të hetuar një problem specifik.)

“Është një moment shumë i veçantë në këtë fushë,” tha Mikhail Lukin, një fizikant në Universitetin e Harvardit dhe një bashkautor i punimit, në një deklaratë për shtyp të universitetit. “Ju vërtet mund ta prekni, të goditni dhe të nxisni këtë gjendje ekzotike dhe ta manipuloni atë për të kuptuar vetitë e saj… Është një gjendje e re e materies që njerëzit nuk kanë qenë kurrë në gjendje ta vëzhgojnë.”

Gjendja kuantike nuk është e lëngshme në mënyrën se si mund të mendoni; atomet që ekipi studioi nuk po rrotulloheshin, në vetvete. Përkundrazi, rrotullimet e elektroneve të rubidiumit ishin të padëshiruara dhe kurrë në përputhje.

Rrotullimet e vazhdueshme konfliktuale dhe në ndryshim të elektroneve i bëjnë metalet në një gjendje të lëngshme spin kuantik “të frustruar”, në gjuhën e shkencëtarëve, pasi ata nuk mund të rreshtojnë se si janë të prirur. Lëngjet kuantike spin janë ndër gjendjet kuantike më të ngatërruara, dhe sa më i ngatërruar të jetë një sistem, aq më i fortë është – që do të thotë se kompjuteri kuantik ka më pak gjasa të dalë nga mbivendosja.

“Në të vërtetë, gjendja e inxhinieruar duket se demonstron vetitë kryesore të ndërthurjes kuantike në një QSL, gjë që është e jashtëzakonshme!!!” shkroi Robert McQueeney, fizikan në Universitetin Shtetëror të Iowa dhe Ames Laboratory, në një email. “Puna e mundshme e ardhshme që do të pasojë në mënyrë të pashmangshme është edhe më emocionuese, pasi qasja e atomit të ftohtë është shumë e adaptueshme dhe e akordueshme.”

Kur gjërat ftohen mjaftueshëm, lënda e kondensuar (të ngurta) bëhen mjaft të rregullta. Është ai rendi që i bën sistemet superpërcjellëse kaq të dobishme për eksperimente të sakta shkencore, nga gjurmimi i përplasjeve të vrimave të zeza supermasive deri te shtytja e elektroneve në rrezet lazer me fuqi të lartë për të studiuar strukturat më të vogla që njohim. Por kur u ftohën pak mbi zero absolute, elektronet e atomeve të rubidiumit e refuzuan atë rend duke ekzistuar në një gjendje fluksi konstant, edhe në temperatura kaq të ulëta: ata u bënë një lëng kuantik spin.

Bitët e kompjuterit janë sipas përkufizimit binare, që do të thotë se janë ose të ndezur ose të fikur (1 ose 0, në flasin binare). Kompjuterët kuantikë në vend të kësaj përdorin kubit, të cilët mbështeten në parimin e mbivendosjes, që do të thotë se mund të trajtohen si të ndezur dhe të fikur në të njëjtën kohë, duke i lejuar kompjuterit të ndjekë një sërë zgjidhjesh në të njëjtën kohë.

“Premtimi i madh i lëngjeve të rrotullimit kuantik është se ato mund të përdoren për të realizuar kubit të fuqishëm për kompjuterët kuantikë,” tha Semeghini. “Mënyra tipike për të koduar një qubit është në fakt mjaft e brishtë ndaj zhurmave dhe shqetësimeve të jashtme. Kodimi i informacionit kuantik në një kubit topologjik, duke përdorur gjendje të ndryshme topologjike të një lëngu kuantik spin, krijon një kubit që është në thelb rezistent ndaj zhurmës.

Nëse drejtimi i parë, më i besueshëm për të marrë këtë kërkim është krijimi i kubitëve më të fortë dhe si rezultat i kompjuterëve kuantikë më efikasë, graali i shenjtë do të ishte superpërçues i temperaturës së dhomës. Janë ato drejt të cilave Anderson, i cili ëndërronte lëngjet e rrotullimit kuantik, po përpiqej të punonte dhe ata kanë qenë një ambicie e fizikës (dhe industrisë së energjisë) që kur u realizua fuqia e superpërcjellshmërisë. Ndër të tjera, heqja e rezistencës nga qarqet elektrike në temperaturën e dhomës do të revolucionarizonte rrjetin elektrik siç e njohim ne, sepse nuk do të humbiste energji nga nxehtësia. Do të nënkuptonte gjithashtu përparime kudo që magnetët superpërcjellës janë aktualisht të nevojshëm: në teknologjitë mjekësore si makinat MRI, përshpejtuesit e grimcave dhe në trenat që fluturojnë super të shpejtë. Por ka shumë rrugë për të bërë përpara se të realizohet kjo ëndërr.

Në lidhje me nëse lëngjet kuantike spin mund të ndihmojnë në adresimin e superpërcjellshmërisë së temperaturës së dhomës, Semeghini tha se “Eksperimenti ynë nuk i përgjigjet drejtpërdrejt kësaj pyetjeje, por është e mundur që vazhdimi i kërkimit mbi këto lloje të fazave ekzotike mund të ndihmojë për të kuptuar më mirë origjinën e superpërçueshmëria e temperaturës.”