دانشمندان مدت‌هاست که رویای تماشای تبدیل مواد به حالت‌های کوانتومی، مراحلی از ماده را بررسی می‌کنند که فقط زمانی ظاهر می‌شوند که اتم‌ها تا نزدیکی صفر مطلق سرد شوند.

اکنون پژوهشگران دانشگاه میشیگان و دانشگاه هاروارد با طراحی نگهدارنده نمونه خنک‌شده با هلیوم مایع برای میکروسکوپ‌های الکترونی، می‌توانند تصاویر سطح اتمی از مواد در دماهای فوق سرد برای بیش از ۱۰ ساعت را به‌طور همزمان ثبت کنند.

تاکنون، میکروسکوپ‌های الکترونی فقط قادر بودند نمونه‌ها را برای چند دقیقه یا حداکثر چند ساعت در دماهای فوق سرد حفظ کنند اما نگهدارنده جدید می‌تواند دما را حدود ۲۰ کلوین (معادل تقریبا منفی ۴۲۳ درجه فارنهایت) حفظ کند و نوسانات دمایی را به حداقل برساند.  

این محدودیت زمانی در بررسی خواص کوانتومی ظریف مواد پیشرفته، مانند ابررساناها یا اجزای مورد استفاده در رایانه‌های کوانتومی چالش‌برانگیز بود اما اکنون، این اختراع جدید، امکانی را فراهم کرده است تا دانشمندان تغییرات مواد را هنگام تبدیل به حالت‌های کوانتومی ردیابی کنند و جزئیات جدیدی درباره رفتار اتم‌ها در این فرآیندها کسب کنند.

به گفته رابرت هاودن، دانشیار علوم و مهندسی مواد در دانشگاه میشیگان و پژوهشگر ارشد این پژوهش، وقتی اتم‌ها تا نزدیک صفر مطلق سرد می‌شوند، حرکات آنها به شدت کاهش می‌یابد و این امر به‌طور بنیادی نحوه رفتار مواد را تغییر می‌دهد. برای مثال، فلزات می‌توانند ناگهان به ابررسانا تبدیل شوند یا فازهای جدیدی پدید آورند که برای ساخت کیوبیت‌ها یا حافظه‌های رایانه‌ای پیشرفته مناسب هستند.

میکروسکوپ‌های الکترونی قبلا با استفاده از نیتروژن مایع در دمای منفی ۳۲۱ درجه فارنهایت (۷۷ کلوین) به تصویربرداری فوق سرد رسیدند، اما برخی از مواد خواص کوانتومی خود را در دماهای حتی سردتر آشکار می‌کنند. هلیوم مایع تقریبا در منفی ۴۵۲ درجه فارنهایت (چهار کلوین) متراکم می‌شود و در این زمان می‌تواند به این هدف دست یابد.

چالش استفاده از هلیوم این بوده است که هلیوم هنگام ورود به محفظه جداکننده میکروسکوپ، محفظه‌ای که مایع را در خود نگه می‌دارد، به شدت می‌جوشد و باعث ارتعاشات و دماهای ناپایداری می‌شود که تصاویر اتمی را تار می‌کند.

هادون بیان کرد: مثل این است که آب را روی گدازه داغ بریزید. مایع می‌جوشد و همه چیز را می‌لرزاند و دما آنقدر تغییر می‌کند که نمی‌توانید شرایط مورد نیاز خود را حفظ کنید. این گروه پژوهشی چالش این مورد را با طراحی هوشمندانه جدید رفع کرد.  

این دستگاه با استفاده از  مبدل حرارتی و لوله‌های عایق انعطاف‌پذیر طراحی شده است که هلیوم مایع را حمل می‌کند. با تبخیر هلیوم، نمونه قبل از خروج خنک می‌شود و ارتعاشات توسط لوله فنری و اتصالات لاستیکی جذب می‌شوند. این فناوری امکان حفظ دما برای بیش از ۱۰ ساعت با پایداری در محدوده ۰.۰۰۲ کلوین را فراهم می‌کند که ۱۰ برابر بهتر از سیستم‌های موجود است.

اکنون، پژوهشگران می‌توانند تغییرات مواد را هنگام تبدیل به حالت‌های کوانتومی ردیابی کنند و جزئیاتی را که قبلا دیده نشده است را در مورد چگونگی بازآرایی اتم‌ها در طول این تبدیلات ثبت کنند.

اسماعیل ال باگاری، فیزیکدان دانشگاه هاروارد اظهار کرد: این اختراع می‌تواند کلید درک و مهار فرآیندهایی باشد که به مواد کوانتومی خواص شگفت‌انگیز می‌دهند. ساخت این دستگاه چالش‌برانگیز بوده و گروه تحقیقاتی چندین بار طراحی را اصلاح کرده است.

امیلی رنیچ، پژوهشگر ارشد این پژوهش، به نقش خود در رهبری ساخت این دستگاه اشاره کرد و گفت: قبل از اینکه به چیزی برسیم که کارایی داشته باشد، آزمون و خطای زیاد و کمک ماشین‌سازان لازم بود.

در حال حاضر، این نگهدارنده جدید در مرکز مشخصه‌یابی مواد میشیگان مورد استفاده قرار گرفته و به دانشمندان در سراسر این کشور اجازه می‌دهد آزمایش‌هایی را انجام دهند که پیش‌تر دور از دسترس بودند. کارشناسان این حوزه بر این باورند که این فناوری تاثیر ماندگاری خواهد گذاشت.

میافانگ چی، یکی از اعضای آزمایشگاه ملی اوک ریج گفت: این پیشرفتی است که نزدیک به یک دهه انتظارش را داشتم. دستاورد این گروه پژوهشی، درهای جدیدی را در تحقیقات مواد کوانتومی باز خواهد کرد.

سایت ساینس گزارش کرد، با فراهم کردن امکان مشاهده کوانتومی شدن ماده توسط میکروسکوپ‌ها، این فناوری می‌تواند پیشرفت در ابررساناها، رایانه‌های کوانتومی و سیستم‌های نورومورفیک را تسریع کند و راه را برای الکترونیک سریع‌تر و کارآمدتر در آینده هموار سازد.

انتهای پیام