در سال 1970، آنتونی لگت، برنده جایزه نوبل، این فرض ظاهراً بی معنی را مطرح کرد که خواص هلیوم فوق سیال “ممکن است با برخی از جامدات مشترک باشد”. اگرچه ممکن است خلاف تصور به نظر برسد، اما این ایده که یک جامد کریستالی می تواند به عنوان یک ابر سیال – یعنی دارای ویسکوزیته صفر – بدون هیچ گونه مصالحه ای در سفتی جریان داشته باشد، ادامه داشت و جستجو برای چنین “ابر جامدهایی” از آن زمان تاکنون ادامه داشته است. اکنون یونسن شیانگ در آکادمی علوم چین در پکن و محققانی از چین، فرانسه و استرالیا شواهدی برای این مرحله گریزان از ماده ارائه می دهند. این ابر جامدات ممکن است بیش از یک کنجکاوی علمی باشد و می توان از آنها برای سرد کردن آزمایش ها و دستگاه ها به صفر مطلق استفاده کرد.
قوانین آمار کوانتومی بیش از یک ذره از یک ماده معین را در هر حالت کوانتومی منع می کند – یعنی فقط یک اتم می تواند هر نقطه از شبکه بلوری را اشغال کند و سایر ویژگی های کوانتومی مانند اسپین و انرژی را به اشتراک بگذارد. با این حال، در دماهای بسیار پایین، تعداد زیادی از ذرات کوانتومی در ماده ای به نام “بوزون” می توانند در مجموع پایین ترین حالت کوانتومی ممکن را اشغال کنند. این یک میعانات بوز-انیشتین است و باعث ایجاد خواص فوق سیال ابر جامد می شود. خواص جامد مشاهده شده در این فاز عجیب از آرایش شبکه کریستالی استاندارد اتم هایی که نقش بوزون ها را در مدل بازی می کنند، ناشی می شود. در این آخرین کار، محققان به طور خاص یک ابر جامد اسپینی را نشان می‌دهند که از لحاظ نظری معادل یک ابر جامد بدون اسپین است، اما اسپین‌های الکترونی نقش مهمی در دستیابی به فاز فوق جامد دارند.
زاده ناامیدی
شیانگ و همکارانش Na را مطالعه کرده اند2BaCo(PO4)2 (NBCP)، که برای اولین بار در سال 2019 سنتز شد. اتم های آن در یک شبکه مثلثی قرار گرفته اند. در حضور یک میدان مغناطیسی اعمال شده، همه اسپین ها تمایل دارند در همان جهت میدان مغناطیسی قرار بگیرند. هنگامی که میدان مغناطیسی حذف می‌شود، هر اسپین قصد دارد در جهت مخالف همسایگان خود قرار گیرد. با این حال، این تلاش‌ها ناکام مانده‌اند، زیرا در هر سلول شبکه مثلثی سه اتم وجود دارد و تنها دو جهت اسپین ممکن وجود دارد. شبکه مثلثی بسیار ناامید به رهبری وی لی در مؤسسه فیزیک نظری، آکادمی علوم چین و همکارانش برای محاسبه اینکه NBCP می تواند به عنوان یک ابر جامد وجود داشته باشد، آزمایش هایی را برای تأیید آن انجام داد.
لی می‌گوید: «بدون ناامیدی، سیستم فقط می‌تواند نظم و نظمی مستحکم ایجاد کند دنیای شیمی. “شما باید این ناامیدی را ارائه دهید و سیستم را وادار کنید تا آن را پیدا کند [that] حالت جامد کمترین حالت انرژی نیست بلکه [that there are] کشورهای رقیب. بنابراین ابر جامد برهم نهی کوانتومی حالت‌های جامد ابرشاره و کریستالی است.
در حالی که ذرات خود ثابت می مانند، که ممکن است خیلی سیال به نظر نرسند، خواص فوق سیال در چرخش سیستم ظاهر می شود. «تا آنجا که من درک می کنم، چنین مفهومی از ابرسیالیت چرخشی است [has been] به طور گسترده توسط جامعه علمی پذیرفته شده است [for] او می گوید که سال ها جیووانی مودوگنومتخصص فوق جامدات و فازهای کوانتومی فوق سرد در دانشگاه فلورانس ایتالیا که در این کار نقشی نداشت.
جلوه های جالب
این ماده همچنین ممکن است در خنک کردن دستگاه های کوانتومی و فناوری فضایی کاربرد داشته باشد. هنگامی که میدان مغناطیسی اعمال شده حذف می شود و اسپین ها سعی می کنند خود را در جهت مخالف یکدیگر قرار دهند، انرژی برای خنک کردن مواد صرف می شود، پدیده ای که به عنوان اثر مغناطیسی کالری شناخته می شود. به لطف اثر سرخوردگی قوی، این دماهای پایین باقی می مانند. با بررسی این اثر مغناطیسی کالری برای تشخیص حالت‌های اسپین کوانتومی همراه با آزمایش‌های پراکندگی نوترون بود که محققان توانستند شواهدی برای فاز فوق جامد اسپینی که ایجاد کرده بودند ارائه کنند.
اثر خنک کننده در واقع به محققان کمک کرد تا به دمای بسیار پایین مورد نیاز برسند – 1K برای انتقال فاز فوق جامد اسپین و 100mK برای آزمایش های نوترونی. تجهیزاتی که آنها استفاده کردند در واقع فقط مواد را به 2K رساندند، اما دمای پایین‌تر مورد نیاز برای انتقال فاز توسط اثر مغناطیسی کالری خنک‌کننده خود انتقال فاز فراهم می‌شود – یک «گام شروع»، لی می‌گوید.
Modugno مشتاق “کاربردهای عملی مانند بهبود قابلیت های خنک کننده” است. “به طرز هیجان انگیزی، ابر جامد فرضی زمانی در حال تبدیل شدن به یک فاز اساسی واقعی از ماده است که در سیستم های فیزیکی بیشتر و بیشتر ظاهر می شود.”
