بر اساس پژوهشی که اخیراً توسط تیم بین‌المللی از فیزیک‌پژوهان انجام شده٬ اسپین هسته و الکترون در یک سیم کوانتومی در دماهای بسیار پائین ممکن است به شکل همزمان حالت مرتب‌شده‌ای را بخود بگیرند. این تیم با مطالعه‌ی رسانایی سیم‌های کوانتومی از جنس گالیوم آرسنید نتیجه‌ی جدیدی را کشف کرده‌اند: در دماهای ۰/۱ کلوین و پائین‌تر٬ رسانایی این سیم‌ها به کمتر از مقدار کوانتیده‌ی جهانی سقوط می‌کند. چنان کاهش‌یافته‌گی در کوانتش با یک مدل نظری توضیح داده شده؛ مدلی که پشنهاد می‌کند اسپین‌های الکترون و هسته خودشان را به شکل مارپیچی در چنان دماهایی آرایش می‌دهند.

صفی از الکترون‌ها

سیم‌های کوانتومی موجب می‌شود تا حرکت الکترون‌ها در یک جهت محدود شود. درنتیجه (بر خلاف یک سیم معمولی) رسانندگی آن کوانتیده است: شارش جریان با ولتاژ اعمالی متناسب نیست. رسانایی سیم‌های کوانتومی مقادیر گسسته‌ای از ضرایب 2e²/h را به خود می‌گیرد که در آن e بار بنیادی و h ثابت پلانک است. ضریب ۲ از آن جهت ظاهر می‌شود که اسپین الکترون‌ها در یک حالت آرایش‌نیافته و غیرمرتب دو مقدار را می‌تواند به خود اختصاص دهد.

دومینیک زومبیو (Dominik Zumbühl) از دانشگاه باسل در سوئیس همگام با همکارانش در دانشگاه‌های هاروارد و پرینستون در ایالات متحده آمریکا٬ رسانندگیِ سیم‌های کوانتومی گالیوم آرسنید را (در دماهای بین ۲۰ تا ۰/۰۱ کلوین) اندازه گرفته‌اند. به زعم این فیزیک‌پیشگان٬ ‌اگرچه در دماهای پائین‌تر اتفاق تازه‌ای مشاهده می‌شود اما در دماهای بالا این سیم‌ها٬ رسانایی کوانتیده‌ی جهانی در همان واحد 2e²/h را نشان می‌دهند.

آرایش اتفاقی

آن‌طور که زومبیو توضیح می‌دهد: «پیش‌تر رسانندگی سیم‌های گالیوم-آرسنید تنها تا دمای ۰/۳ کلوین اندازه‌گیری شده بود.»«خنک‌کردن چنان نمونه‌ای تا دماهایی به اندازه‌ی ۰/۰۱ کلوین بسیار دشوار است. چون کار قابل توجهی برای فیلتر‌سازی و حرارتی‌کردن سیم‌های الکتریکی و نمونه‌ی موردنظر انجام می‌شود.» وقتی دانش‌مندان دمای سیستم را تا ۰/۱ کلوین پائین آوردند رسانایی سیم‌ها با فاکتوری از دو به e²/h افت کرد. این رسانایی با میدان‌های مغناطیسی متوسط تحت تاثیر قرار نمی‌گیرد و وقتی دما تا ۰/۱ کلوین بیشتر پائین آورده می‌شود, در همین مقدار باقی می‌ماند. از این رویداد می‌توان این‌گونه نتیجه گرفت که اسپین‌های الکترون و هسته در داخل سیم کوانتومی خودبخود مرتب می‌شوند.

بر اساس مدلی که در سال ۲۰۰۹ توسط دنیل لُس (Daniel Loss ) از دانشگاه باسل و همکارانش پیشنهاد شده است , اگر این اسپین‌ها خودبخود در داخل یک سیم کوانتومی به شکل یک مارپیچ جهت‌گیری کنند, رسانایی سیم کوانتومی بایستی با ضریب دو از مقدار کوانتیده‌ی جهانی پائین بیاید. زومبیو و همکارانش پس از بررسی چندین مدل, نتیجه گرفتند که می‌توان آرایش اسپینی مارپیچی را محتمل‌ترین دلیل برای این پدیده‌ به حساب آورد.

اسپین الکترون و هسته (پیکان‌های به رنگ سرخ) شکل مارپیچ حلزونی چرخنده حول محور سیم کوانتومی را به خود می‌گیرند. روبان آبی را به می‌توان به عنوان هدایتگری برای چنان مارپیچ تصور کرد.

برای مقاله‌ای که در مجله‌ی Journal Club for Condensed Matter Physics انتشار یافته٬ لئون بالنت (Leon Balents) از دانشگاه کالیفرنیا در سانتا باربابا چنین نوشته است که: «این پیشنهاد (تفسیر مارپیچی) عدم حساسیت به میدان‌های (مغناطیسی) و تقریباً مقیاسِ دمایی صحیح برای این آزمایش را توضیح می‌دهد. هرچند به لحاظ مفهومی ساده است, ایده‌ی جسورانه‌ای است. من به نوبه خود٬ از صحیح بودن این ایده شگفت‌زده‌ می‌شوم.»

نیاز به اندازه‌گیری مستقیم آرایش اسپینی

آرایش خودبخود اسپین‌های هسته‌ای٬ پیش‌تر به شکل آزمایشگاهی مشاهده شده است؛ اما تنها در دماهای پائین (معمولاً در گستره‌ی میکروکلوین) و هرگز در سیم‌های کوانتومی دیده نشده است. برای آن‌که تفسیر زومبیو و همکارانش- وقوع افت رسانایی در نتیجه‌ی مرتب‌شدگی اسپینی- صحیح باشد به نوشته‌ی بالنت: «مغناطیس هسته‌ای خودبخودی در دماهای ۵۰ مرتبه بالاتر از این رخ می‌دهد». هرچند وی جوانب برخی احتیاط ها را درنظر می‌گیرد٬ با این توضیح که ارتباط با مرتب‌شدگی هسته‌ای به موقعیت بستگی داشته و تصادفی است. به بیان او «هیچ استنادی به مارپیچ حلزونی اسپینی مشاهده‌شده نمی‌توان داشت».

زومبیو با این مطلب موافق است. به گفته‌ی وی: «داده‌های ما از آن اندازه‌گیری‌های الکتریکی نشات می‌گیرد که فاقد هرگونه داده‌ی مستقیم از اسپین هسته‌ای است. با این وجود او توضیح بیشتری می‌دهد که پژوهش‌گران «داده‌هایی دارند که با این مدل مارپیچی هیچ تضادی ندارد درحالی‌که دیگرِ مدل‌های شناخته‌شده با مشاهدات ما سازگاری ندارند. مدرکی برای حالت نادر یک ماده‌ی کوانتومی نشان می‌دهیم که شامل سیستمی است با اسپین الکترونی مارپیچی که به شکل قوی با مارپیچ حلزونی اسپین هسته‌ای متصل است».

بر اساس پژوهش زومبیو٬ این جفت‌شدگی الکترون با هسته در قلب مرتب‌شدگی قرار دارد و به رسانایی کاهش‌یافته این اجازه را می‌دهد که بیش از پیش در دماهای بالاتر ظاهر شود. با اعمال یک ولتاژ خارجی بر روی سیم٬ می‌توان الکترون‌ها را به بیرون رانده و جفت‌شدگی بین الکترون و هسته را منحل کرده و درنتیجه ترتیب مارپیچی را از بین برد. زومبیو توضیح می‌دهد که: «دلیل دمای بالا و استثنائی برای مرتب‌شدگی هسته‌ای٬ طبیعت یک‌بعدی این سیم و درنتیجه برهم‌کنش قوی الکترون-الکترون است».

البته زومبیو اذعان دارد که پرسش‌های پاسخ داده نشده‌ای باقی مانده است. به گفته‌ی او: «علاوه بر سنجش این پدیده به شکل مغناطیسی٬ می‌خواهیم مقیاس زمانی ساخته‌شدن و از بین رفتن مغناطش هسته‌ای و الکترونی را درک کنیم که با اضافه کردن یا حذف الکترون‌ها با اعمال ولتاژ خارجی انجام می‌شود».

بالنت به این نکته توجه دارد که: «صرف‌نظر از این‌ها٬ این مشاهدات٬ یافته‌های چشم‌گیری بوده و این یک آزمایش موثر است».

این تحقیق در مجله‌ی فیزیکال ریویو لیترز منتشر شده است.

درباره‌ی نویسنده:

اکینچیو رائو (Achintya Rao) نویسنده و ارتباط‌گر علمی است.

منبع:

Ordering electron and nuclear spins in quantum wires