تعتبر السوائل المغزلية الكمومية أنظمة كمومية رائعة جذبت مؤخرًا اهتمامًا بحثيًا كبيرًا. تتميز هذه الأنظمة بمنافسة قوية بين التفاعلات، مما يمنع إنشاء نظام مغناطيسي بعيد المدى، مثل ذلك الذي لوحظ في المغناطيس التقليدي، حيث تتم محاذاة جميع الدورات على طول نفس الاتجاه لإنتاج مجال مغناطيسي صافي.
قدم الباحثون في جامعة تورنتو مؤخرًا إطارًا يمكن أن يسهل المراقبة التجريبية لسائل مغزلي كمي جديد ثلاثي الأبعاد يُعرف باسم الجليد المغزلي الكمي الثماني القطب (π-O-QSI). ورقتهم المنشورة في استعراض للحروف البدنيةيتنبأ بالتوقيعات الطيفية المميزة لهذا النظام، والتي يمكن قياسها في التجارب المستقبلية.
قال فيليكس ديروشرز، المؤلف المشارك في الورقة البحثية، لموقع Phys.org: "من المثير للاهتمام أن السوائل الكمومية المغزلية يمكن أن تستضيف إثارات مجزأة". "على وجه التحديد، يبدو أن الإلكترونات الموجودة في هذه المواد تنفصل إلى مكونات متعددة. على سبيل المثال، في حين أن الإلكترونات تحمل كلا من الدوران والشحنة، فإن شبه الجسيم الناشئ يمكن أن يحمل الدوران ولكن بدون شحنة.
"لا تنشأ هذه الإثارة من تجزئة الإلكترونات إلى عدة قطع، ولكنها بدلاً من ذلك نتيجة لشكل غير تافه للغاية من الحركة الجماعية الناجمة عن تفاعلاتها القوية."
ظل الفيزيائيون يبحثون عن أمثلة واضحة للحالة السائلة المغزلية الكمومية لعقود من الزمن. ومع ذلك، فإن التقدم في هذا المجال من البحث كان بطيئا حتى الآن، وذلك بسبب عاملين رئيسيين.
أولًا، كان ابتكار نماذج نظرية تصف بشكل واقعي الحالات الأرضية السائلة المغزلية، والتي يمكن استخدامها لاستخلاص تنبؤات دقيقة، أمرًا صعبًا. ثانيًا، ثبت أيضًا صعوبة اكتشاف وتوصيف الخصائص الفيزيائية لهذه الأنظمة في المواد الحقيقية.
وأوضح ديروشرز: "يعد الجليد المغزلي الكمي (QSI) مثالًا نادرًا لنموذج ذو حالة أرضية سائلة مغزلية كمية مفهومة جيدًا ويمكن العثور عليه أيضًا في مادة حقيقية (مثل عائلة البيروكلورات الأرضية النادرة)".
"إن QSI استثنائي لأنه يحقق المعادل الشبكي للديناميكا الكهربائية الكمومية: فهو يستضيف أنماطًا ناشئة تشبه الفوتون (أي الإثارة المشابهة لجسيمات الضوء)، وجسيمات مشابهة للشحنات الكهروستاتيكية مع تفاعل كولوم متبادل يُعرف باسم السبينونات وحتى أحاديات القطب المغناطيسي."
استنادًا إلى التنبؤات النظرية، تختلف الديناميكا الكهربائية الكمومية الناشئة في QSI بشكل كبير عن الديناميكا الكهربائية التقليدية. على سبيل المثال، يجب أن تكون سرعة ما يسمى بـ "الضوء الناشئ" في حدود 1 م/ث، بدلاً من 3×108 م/ث من الضوء الذي نواجهه في الحياة اليومية.
"التجارب الأخيرة على Ce2Zr2O7، هذا2Sn2O7 و م2Hf2O7 وقال ديروشرز: "لقد كانت مثيرة للغاية". "لا تظهر المواد أي علامة على الطلب حتى أدنى درجة حرارة يمكن الوصول إليها.
"لقد حددت التحليلات الإضافية المعلمات المجهرية التي تصف سلوكه. ووجدوا أن النظام موجود في منطقة من مساحة المعلمة التي يُقترح نظريًا لاستضافة نكهة معينة من QSI تُعرف باسم الجليد المغزلي الكمي (π-QSI).
في حين أن الدراسات الحديثة جمعت نتائج مشجعة، فإن تحديد السوائل الكمية المغزلية بشكل موثوق يعد مهمة معقدة للغاية، حيث أنه حتى الاضطراب الضعيف يمكن أن يعطل هذه الحالات. لاكتشاف هذه الحالات بشكل لا لبس فيه، يحتاج الباحثون أولاً إلى تحديد التوقيعات المميزة الخاصة بالسائل الكمي المغزلي، والذي يظل مستقرًا.
"قبل عملنا، لم يكن هناك اقتراح واضح للتوقيعات القاطعة لديناميات الدوران في QSI-flux،" أوضح ديروشرز. "وبالتالي فإن عملنا يهدف إلى تسليط الضوء على التوقيعات المميزة المحتملة التي يمكن أن تساعد في تحديد ما إذا كان π-flux QSI قد تحقق في Ce2Zr2O7 وغيرها من المركبات المشابهة. لقد ركزنا بشكل خاص على التوقيعات التي يمكن قياسها بالأجهزة التجريبية المتاحة حاليًا.
كجزء من دراستهم، قام ديروشرز ودكتوراه. شرع المشرف يونج بايك كيم في التنبؤ بالتوقيعات الطيفية المميزة لحالة التدفق QSI باستخدام إطار نظري قدمه لوسيل سافاري وليون بالنتس في عام 2012، والمعروف باسم نظرية المجال المتوسط (GMFT). يعيد هذا الإطار بشكل أساسي كتابة عوامل الدوران الأولية استنادًا إلى الإثارة الناشئة الموجودة في الجليد الكمي المغزلي، وهي الفوتونات والسبينونات.
قال ديروشرز: "لقد تم استخدام هذا الإطار بالفعل لدراسة QSI π-flux في بعض الأعمال المبكرة التي تستخدم GMFT". "لقد قمنا بتوسيع هذا العمل بهدف تقديم تنبؤات ذات معنى تجريبيًا. ولضمان موثوقية توقعاتنا، قمنا أيضًا بإجراء مقارنات واسعة النطاق مع النتائج الرقمية السابقة من مجموعتنا والأدبيات.
تقدم هذه الدراسة الحديثة التي أجراها Desrochers وKim تنبؤًا ذا مغزى للتوقيعات الطيفية المميزة للحالة السائلة الدورانية π-flux QSI. يمكن لهذه التوقيعات أن توجه الدراسات التجريبية المستقبلية، مما يساعد الفيزيائيين على تأكيد وجود هذه الحالة الغريبة.
قال ديروشرز: "لقد سلطنا الضوء على أن π-flux QSI يجب أن ينتج ثلاث قمم من الكثافة المتناقصة في تشتت النيوترونات غير المرنة". "هذا توقيع فريد ومميز. إذا تم قياسها، فإن هذه القمم الثلاث ستوفر دليلًا دامغًا على الإدراك التجريبي لجودة QSL ثلاثية الأبعاد.
ويأمل ديروشرز وكيم أن تساعد توقعاتهما الباحثين في تحديد ما ينبغي عليهم توقع قياسه عند مواجهة حالة QSI بعيدة المنال. ومن الجدير بالذكر أن التوقيعات الطيفية التي حددوها يجب أن تكون قابلة للاكتشاف عند الدقة التجريبية التي يمكن تحقيقها حاليًا، وبالتالي يمكن ملاحظتها قريبًا.
وفي الوقت نفسه، يخطط الباحثون للبناء على دراستهم الأخيرة لجمع تنبؤات مفصلة بشكل متزايد. على سبيل المثال، يرغبون في دراسة كيفية تطور القمم التي تنبأوا بها عند درجات حرارة مختلفة وتقدير درجات الحرارة التي تختفي بها.
وأضاف ديروشرز: "إن التطورات المستقبلية الأكثر إثارة ستأتي بالتأكيد من الجانب التجريبي". "إن تأكيد وجود هذه القمم من شأنه أن يقدم دليلا مقنعا للغاية على تحقيق هذه الحالة الجديدة للمادة التي طال انتظارها. هناك بالفعل بعض العلامات المشجعة: العمل الأخير على Ce2Sn2O7 القياسات المبلغ عنها تظهر علامات على ثلاث قمم ذات كثافة متناقصة.