जब क्वांटम भौतिकी निराश हो जाती है
रोजमर्रा की भाषा में, निराशा एक वांछित परिणाम प्राप्त करने में असमर्थता का वर्णन करती है। संघनित पदार्थ भौतिकी में, निराशा कुछ अधिक विशिष्ट और अधिक दिलचस्प का वर्णन करती है: एक ऐसी स्थिति जिसमें कणों के बीच प्रतिस्पर्धी अंतःक्रियाएं किसी भी एकल व्यवस्था को सभी को एक साथ संतुष्ट करने से रोकती हैं। निराश क्वांटम प्रणालियां एक साधारण व्यवस्थित अवस्था में शिथिल नहीं हो सकती हैं, और परिणाम भौतिकी है जो असाधारण रूप से जटिल है और, जैसा कि नए शोध दर्शाता है, क्वांटम अवस्थाओं का घर है जिनका कोई साधारण समरूप नहीं है।
शोधकर्ताओं ने एक नई क्वांटम अवस्था की खोज की है जो तब उत्पन्न होती है जब किसी सामग्री में परमाणु ज्यामितीय रूप से निराश हो जाते हैं - जहां जालक संरचना पड़ोसी परमाणुओं को अपनी सभी क्वांटम यांत्रिक अंतःक्रिया प्राथमिकताओं को एक साथ संतुष्ट करने से रोकती है। विज्ञान दैनिक में वर्णित निष्कर्ष, क्वांटम क्रम का एक रूप प्रकट करते हैं जो पदार्थ के परिचित चरणों - ठोस, तरल, गैस, और यहां तक कि क्वांटम चरण जैसे अतिचालक और अतितरल पदार्थों से मौलिक रूप से अलग है जो भौतिकविदों ने पिछली सदी में सूचीबद्ध किए हैं।
यह खोज बढ़ती समझ में जोड़ता है कि क्वांटम सामग्रियां राज्यों की एक बहुत समृद्ध विविधता को होस्ट करती हैं जो शास्त्रीय अंतर्ज्ञान से अधिक हैं। जहां शास्त्रीय निराश सिस्टम जैसे त्रिकोणीय जालकों पर एंटीफेरोमैग्नेट विशिष्ट अपक्षयी विन्यास का उत्पादन करते हैं, क्वांटम निराश सिस्टम ऐसे चरणों में प्रवेश कर सकते हैं जिनमें क्वांटम यांत्रिक अधिस्थापन और उलझन सामग्री के पार सामूहिक व्यवहार का उत्पादन करते हैं जिनका कोई शास्त्रीय समरूप नहीं है - चरण जो परंपरागत अर्थ में टूटी समरूपता द्वारा नहीं, बल्कि क्वांटम उलझन के पैटर्न द्वारा परिभाषित होते हैं जो सामग्री के पार विस्तृत होते हैं।
क्वांटम निराशा क्या है?
यह समझने के लिए कि निराशा नई भौतिकी का उत्पादन क्यों करती है, एक सरल उदाहरण पर विचार करें। एक त्रिकोण के कोनों पर तीन चुंबक रखें, पड़ोसी चुंबकों को विपरीत दिशाओं में इंगित करने के लिए बातचीत के साथ। दो में से तीन को एक साथ संतुष्ट किया जा सकता है, लेकिन दो को संतुष्ट करना तीसरे को संतुष्ट करना असंभव बना देता है: तीसरा चुंबक जिस दिशा की ओर इशारा करता है, वह कम से कम एक पड़ोसी के साथ संघर्ष में होगा। प्रणाली निराश है - यह एक ऐसी अवस्था प्राप्त नहीं कर सकती है जो सभी अंतःक्रियाओं को संतुष्ट करे।
क्वांटम यांत्रिकी में, निराश प्रणालियां इस दुविधा को शास्त्रीय से अलग तरीके से संभालती हैं। एक के बजाय ऊर्जावान रूप से अपक्षयी शास्त्रीय विन्यास में से एक को चुनने और वहां फंसे रहने के बजाय, क्वांटम निराश प्रणालियां कई विन्यास के अधिस्थापन में मौजूद हो सकती हैं। परिणाम एक क्वांटम अवस्था है जिसका कोई शास्त्रीय समरूप नहीं है - एक प्रणाली जो एक साथ कई निराश व्यवस्थाओं की खोज कर रही है, विभिन्न भागों के बीच संबंध शास्त्रीय आदेश के बजाय क्वांटम उलझन में एन्कोड हैं।
ये क्वांटम स्पिन तरल राज्य, जैसा कि वे अक्सर कहते हैं जब निराश इकाई चुंबकीय क्षण होते हैं, विदेशी होते हैं और उत्पादन और चिह्नित करना मुश्किल होता है। वे न केवल वे मौलिक भौतिकी के लिए ब्याज के हैं बल्कि संभावित व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए भी हैं - क्वांटम स्पिन तरल पदार्थ टोपोलॉजिकल क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए उम्मीदवार मंच हैं, जहां क्वांटम जानकारी गैर-स्थानीय उलझन पैटर्न में संग्रहीत होती है जो स्थानीय शोर के प्रति प्रतिरोधी होती है जो परंपरागत क्वांटम बिट्स को नष्ट करती है।
शोधकर्ताओं को क्या मिला
नई अनुसंधान एक विशिष्ट क्वांटम अवस्था की पहचान की गई जो एक सामग्री में उत्पन्न होती है जहां सावधानीपूर्वक अभियांत्रिक परमाणु अंतःक्रियाएं एक ऐसी ज्यामिति में निराशा का उत्पादन करती हैं जो पहले प्रयोगात्मक रूप से अध्ययन नहीं की गई थी। न्यूट्रॉन स्कैटरिंग का एक संयोजन, जो परमाणु पैमाने पर चुंबकीय आदेश पैटर्न के प्रति संवेदनशील है, और उन्नत सैद्धांतिक मॉडलिंग, टीम ने निराश परमाणुओं की सामूहिक क्वांटम अवस्था की विशेषता दी और पहले से ज्ञात क्वांटम चरणों के साथ असंगत हस्ताक्षर पाए।
यह अवस्था एक नई प्रकार की क्वांटम तरल होने के लिए प्रकट होती है - एक चरण जिसमें क्वांटम उतार-चढ़ाव बहुत कम तापमान पर भी मजबूत रहते हैं, प्रणाली को किसी भी व्यवस्थित विन्यास में जमने से रोकते हैं। पिछले ज्ञात क्वांटम स्पिन तरल पदार्थों से जो अलग है वह उत्तेजनाओं की प्रकृति है: संतुलन से प्राथमिक व्यवधान जो ऊर्जा और जानकारी सामग्री के माध्यम से ले जाते हैं, असामान्य गुण हैं जो शोधकर्ता टोपोलॉजिकल क्रम के प्रकार के सैद्धांतिक भविष्यवाणियों के अनुरूप बताते हैं जो पहले एक वास्तविक सामग्री में नहीं देखे गए थे।
सामग्री का उत्पादन प्रणाली के व्यवहार पर निराशा को प्रभावित करने के लिए आवश्यक विशिष्ट ज्यामिति प्राप्त करने के लिए परमाणु संरचना और क्रिस्टल विकास का सटीक नियंत्रण आवश्यक था। टीम द्वारा विकसित संश्लेषण मार्ग समान सामग्री का उत्पादन करने के लिए एक टेम्पलेट प्रदान करता है जिसमें ट्यून करने योग्य निराशा मापदंड हैं, जो क्वांटम अवस्था को कैसे विकसित करते हैं इसकी व्यवस्थित खोज की अनुमति देगा जब प्रतिस्पर्धी अंतःक्रियाओं के बीच संतुलन भिन्न होता है - एक क्षमता नई चरण की पूरी सैद्धांतिक समझ के निर्माण के लिए आवश्यक है।
संभावित अनुप्रयोग
निराश क्वांटम सामग्रियों के व्यावहारिक अनुप्रयोग अनुमानित रहते हैं लेकिन वैज्ञानिक रूप से आधारित हैं। टोपोलॉजिकल क्रम वाली क्वांटम स्पिन तरल पदार्थ सैद्धांतिक रूप से anyons को होस्ट करने में सक्षम हैं - अर्धकण जो क्वांटम जानकारी एक रूप में ले जाते हैं जो टोपोलॉजिकल प्रकृति द्वारा आंतरिक रूप से विघ्न से संरक्षित होते हैं। इन संरक्षित राज्यों पर आधारित टोपोलॉजिकल क्वांटम कंप्यूटिंग वर्तमान qubit मंच से काफी अधिक मजबूत होगा, जिसके लिए पारंपरिक क्वांटम अवस्थाओं की नाजुकता के लिए क्षतिपूर्ति करने के लिए विस्तृत त्रुटि सुधार की आवश्यकता होती है।
टोपोलॉजिकल क्रम के अनुरूप विशेषताओं के साथ एक नई क्वांटम चरण की खोज इसलिए व्यावहारिक टोपोलॉजिकल क्वांटम कंप्यूटर बनाने की लंबी अवधि की परियोजना में एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर है, भले ही ऐसी तकनीक का वाणिज्यिक तैनाती कई साल दूर रहती है। प्रत्येक नया topologically आदेश सामग्री की वास्तविकता सैद्धांतिक भविष्यवाणियों की परीक्षा के लिए और अंतिम उपकरण निर्माण के लिए आवश्यक सामग्री नियंत्रण विकसित करने के लिए उपलब्ध प्रायोगिक टूलकिट में जोड़ता है।
क्वांटम कंप्यूटिंग से परे, निराश क्वांटम सामग्रियां क्वांटम सेंसिंग में अनुप्रयोग पा सकती हैं - डिवाइस जो क्वांटम यांत्रिक गुणों का उपयोग करके भौतिक मात्रा को शास्त्रीय सेंसर प्राप्त कर सकते हैं की परिशुद्धता के साथ मापते हैं। निराश क्वांटम प्रणालियों की संवेदनशीलता छोटे व्यवधान के लिए, जो चरण सीमाओं के पास मौजूद होने की उनकी प्रवृत्ति को दर्शाता है, चुंबकीय क्षेत्र सेंसिंग, gravimetry, या अन्य परिशुद्धता माप अनुप्रयोगों में कमजोर संकेतों का पता लगाने के लिए शोषित किया जा सकता है।
क्वांटम भौतिकी के लिए व्यापक महत्व
नई क्वांटम चरणों की खोज संघनित पदार्थ भौतिकी में एक परंपरा जारी रखती है कि प्रकृति हमारे सैद्धांतिक ढांचे द्वारा अंतर्ज्ञान की तुलना में अजीब और समृद्ध है। क्षेत्र का इतिहास खोज के साथ विराम दिया जाता है - अतिचालकता, क्वांटम हॉल प्रभाव, टोपोलॉजिकल इंसुलेटर - जो पूरी तरह से नई श्रेणियों को प्रकट करते हैं जो नई सैद्धांतिक संरचनाओं का वर्णन करने के लिए आवश्यक हैं। इस तरह की प्रत्येक खोज अंततः तकनीकी अनुप्रयोगों और गहरी सैद्धांतिक समझ दोनों को जन्म देती है।
नई निराश क्वांटम अवस्था विदेशी क्वांटम चरणों के बढ़ते कैटलॉग में जोड़ता है जो शोधकर्ताओं को केवल हाल के वर्षों में पहचान और अध्ययन करने में सक्षम किया गया है, क्योंकि सामग्री संश्लेषण, माप तकनीकों, और सैद्धांतिक उपकरणों में सुधार ने पहले दुर्गम क्वांटम भौतिकी के शासन को खोल दिया है। जिस दर पर नई क्वांटम घटना की खोज की जा रही है, वह सुझाव देती है कि क्वांटम पदार्थ का नक्शा अभी भी तैयार किया जा रहा है और सार्वभौमिक रूप से नई भौतिकी के भारी क्षेत्र हैं जिन्हें प्रयोगशाला में संश्लेषित और अध्ययन किए जा सकते हैं।
यह लेख विज्ञान दैनिक द्वारा रिपोर्टिंग पर आधारित है। मूल लेख पढ़ें।
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