بافت‌های کوانتومی کایرال

حالت‌های کوانتومی همدوس کایرالِ متفاوتی در فاز A ابر‌شاره هلیوم-3 تشکیل و مشخص شده است که پیش‌بینی‌های نظری قبلی را تأیید می‌کند. مواد کایرال که در آن تقارن بازتاب آینه‌ای شکسته می‌شود، در طبیعت در همه جا وجود داردند. حتی خلاء کوانتومی مدل استاندارد فیزیک ذرات، کایرال است [1]. به طوری که رفتار ذرات بنیادی چپ‌گرد و راست‌گرد (کوارک‌ها و لپتون‌ها) اساساً متفاوت است. یکی از پیامد‌های آن اختلال کایرال است. این اختلال عدم بقای غیرعادی جریان کایرال می‌باشد که نخستین بار توسط آدلر، بل و جک توضیح داده شده است [2]. اختلال کایرال توضیحی برای باریو‌ن‌زایی در جهان اولیه و کثرت ماده بر پاد‌ماده در جهان کنونی به وجود می‌آورد. یک مثال نوعی از مواد کایرال، کریستال مایع کلستریک است که از مولکول‌های کایرال، ذراتی که با تصویر آینه‌ای خود همانند نیستند، تشکیل شده است. به طور مشابه آهن‌رباهای کایرال خاصیت کایرالی به وجود می‌آورد.

در ابر‌شاره هلیوم-3 که اغلب به اتم هیدروژن ماده چگال نسبت داده می‌شود [3]، خاصیت کایرالی پدیده پیچیده‌ای به نظر می‌رسد. هلیوم-3 مایع یک سیستم همگن از اتم‌های کروی است. گروهی از اتم‌های هلیوم-3 در فاز A ابر‌شاره ناهمسانگرد هلیوم-3 یک حالت کوانتومی همدوس ماکروسکوپی تشکیل می‌دهند که مشابه خلاء کوانتومی، شکست تقارن آینه‌‌ای و هم‌چنین شکست تقارن معکوس زمانی را تجربه می‌کنند. حالت‌های پارامتری نظم مداری یا بافت کایرالی متفاوتی با ابعاد میلی‌متر انتظار می‌رفت در این مایع کوانتومی وجود داشته باشد، اما به طور موثق و تجربی شناسایی نشده بود. اکنون پل والمزلی و آندری گولو از دانشگاه منچستر انگلستان گزارشی را در مجله Physical Review Letter منتشر کرده‌اند مبنی بر اینکه اندازه‌گیری‌های نوسان‌گرهای پیچشی آن‌ها بین حالت‌های کایرالی ایجاد شده در یک حجم استوانه‌ای‌شکل به قطر 10mm تمایز قائل می‌شود [4]. در اصل یک وضعیت مشابه ساختارهای کایرال هم‌چنین در ابر‌رساناهای غیرمعمول مانند Sr2RuO4 نیز انتظار می‌رود که وجود داشته باشد [5]. اما به دلیل نقص‌ها و ساختار کریستالی غیر ایده‌آل، شناسایی تجربی بافت‌های گسترده مداری کایرالی دشوار است.

درسیستم‌های همدوس با ویژگی کایرالی خواص فیزیکی می‌تواند عجیب و غریب باشد. برای مثال در حالت پایه یک ابر‌شاره کایرال، یک جریان ابر‌شاره خود‌به‌خود در امتداد مرز وجود دارد. برای ابر‌رساناهای کایرال این به معنی یک جریان الکتریکی پایدارِ حالت پایه، در امتداد سطح بدون هیچ مقاومتی است. چنین ابرسطحی بار الکتریکی را تنها در یک جهت عبور می‌دهد که توسط ویژگی کایرالی مشخص می‌شود. این مشابه اثر هال کوانتومی است که بدون میدان مغناطیسی خارجی اتفاق می‌افتد. در اندازه‌گیری‌های نوسان‌گر پیچشی منچستر، جهت این جریان سطحی هنوز مشخص نشده است. مثال دیگری از پیامدهای غیرمعمول ویژگی کایرالی نیروی ذاتی مگنوس، یک نیروی بالابر که روی جسم در حال حرکت در یک ابر‌شاره اثر می‌کند، است. بنابراین حباب الکترونی که تحت تاثیر میدان مغناطیسی در این ابر‌شاره سوق پیدا می‌کند، به طور متفاوتی منحرف می‌شود. این به جهت بافت چرخشی بستگی دارد حتی اگر هیچ میدان مغناطیسی وجود نداشته باشد.

این واقعیت که شناسایی تجربی ویژگی کایرالی در بافت‌های چرخشی سیستم‌های کوانتومی همدوس برای نخستین بار در ابرشاره 3He-A ایجاد می‌شود، تعجب‌آورنیست. فازهای ‌A و B ابرشاره هلیوم-3 جزء جهانی‌ترین نمایندگان فیزیک ماده چگال هستند. آن‌ها ویژگی‌هایی مشابه آنچه ‌که در بسیاری از مواد وجود دارد اعم از خاصیت آهن‌ربایی تا کریستال مایع را نشان می‌دهند. به سبب این تطبیق‌پذیری، از آن‌ها برای شبیه‌سازی پدیده‌های مختلفی در فیزیک انرژی بالا و اختر‌فیزیک استفاده می‌شود [3]. یک مثال، آزمایش‌های آنالوگ روی سازوکار باریون‌زایی در جهان اولیه است که همان‌طور که گفته شد از اختلال کایرالی نتیجه می‌شود. با این وجود ابرشاره‌های هلیوم-3 تنها در دماهای خیلی پایین از مرتبه میلی‌کلوین وجود دارند که اینة آزمایش‌ها را چالش‌برانگیز می‌کند مخصوصاً زمانی‌که چرخش به کاربرده ‌می‌شود. چرخش برای افزایش اندازه بافت‌ها و مشخص کردن جهت آن بکار می‌رود. مخصوصاً برای مطالعه ساختار نقص‌های توپولوژیک مانند بافت‌های گردابی (شکل زیر) چرخش ضروری است. اندازه‌گیری‌های والمزلی و گولو در یک مبرد چرخشی انجام شده است. و در آن طرحی بکار رفته بود تا اندازه ماکروسکوپی دو بافت تک‌دامنه متفاوت را افزایش دهد.

http://hupaa.com/db/pages/2012/11/28...mg_001_181.jpg
بافت‌های گردابی اسکیرمیونِ بردار ناهمسانگرد مداری l در حجم چرخشی ابرشاره 3He-A. بردار واحد l جهت اندازه حرکت زاویه‌ای جفت کوپر را نشان می‌دهد. توزیع فضایی جهت‌گیری‌های آن بافت نامیده می‌شود که باعث تولید حالت گردابی ابرشاره می‌شود. در اینجا جهت بردار l در صفحه افقی نشان داده شده است. در جهت عمود، موازی با سرعت زاویه‌ای چرخشی Ω، بافت‌ها به طور انتقالی ناوردا هستند. (سمت چپ) سلول واحد میدان مغناطیسی صفر شبکه اسکیرمیون است شامل 4 شیء که مرون نامیده می‌شوند. دوتا از آن‌ها دایروی و دوتا هذلولوی هستند. در گرداب مرونی دایروی در مرکز، l̂ ∥Ω در حالی‌که در گرداب مرونی هذلولوی در مرکز، l̂ ∥-Ω. (سمت راست) سلول واحد ورقه گردابی است با یک زنجیره خطی متغیر از مرون‌های دایروی و هذلولوی که در یک دیواره محدود شده‌اند.

آزمایش‌های منچستر به ساختارهای گردابی مربوط است که اسکیر‌میون نامیده می‌شوند و در اصل ترکیب و شکل میدان‌ پیوستهِ پیچشی در نظریه میدان کوانتومی را نشان می‌دهند که اولین بار توسط اسکایرمی توضیح داده شد [6]. در 3He-A اسکیرمیون‌های گردابی اشیاء خطی در گردشی هستند که درون یک شبکه یا دیوار‌ دایره‌ای به صورت ورقه‌های گردابی محصور شده‌اند (به شکل توجه کنید). گردش کوانتیده آن‌ها به عدد وایندینگ توپولوژی بافت اسکیرمیون مربوط است که توسط دیوید مرمین و جیسون هو توضیح داده شده است [7]. شبکه‌های اسکیرمیون هم‌چنین در مواد مغناطیسی کشف شده‌اند [8]. هم‌ در 3He-A و هم در سیستم‌های مغناطیسی کایرال، یک الکترودینامیک مؤثر پدید آمده است هرچند از منابع مختلف اما در هر دو مورد منجر به یک نیروی اضافی شده است که روی اسکیرمیون‌ها اثر می‌گذارد. در 3He-A این نیرو باعث باریوجنسیس آنالوگ می‌شود. مشاهده اسکیرمیون هم‌چنین در میعانات بوز-انیشتینِ تشکیل شده در ابرهای گازی اتمی سرد، گزارش شده است. و آن‌ها در زمینه اثر هال کوانتمی کسری در بسیاری از مواد و اخیراً در گرافین مورد بحث قرار گرفته‌اند.

وامزلی و گولو از ویژگی‌های بافت‌های اسکیرمیون جهت کنترل خاصیت کایرالی استفاده کردند. در 3He-A، جفت‌های کوپر هرکدام اندازه حرکت زاویه‌ای ħ دارند که تمایل دارد به طور فرومغناطیسی منظم شود. جهت مشترک اندازه حرکت در این فرومغناطیسِ چرخشی با بردار l̂ نمایش داده می‌شود. این‌ها با هم ترکیب شده و اندازه حرکت زاویه‌ای L را به وجود می‌آورند. همان‌طور که در فرومغناطیس‌ها و هم‌چنین در 3He-A تقارن وارون زمانی شکسته می‌شود، عمل وارون زمانی جهت اندازه حرکت مداری را به سمت مخالف تغییر می‌دهد. زمانی که 3He-A در هندسه تیغه‌ای، بین دو دیوار محصور شده است، به عنوان مثال در آزمایش نوسان‌گر پیچشی منچستر، بردار l̂ در مرز‌ها عمود است l=+-z. در غیاب چرخش، این دو حالت هم‌ارز هستند. آن‌ها به وسیله عمل وارون زمانی به یکدیگر تبدیل می‌شوند. در چرخش تبهگنیِ دوگانه برداشته می‌شود به طوری که دو بافت تفاوت انرژی جزئی دارند. بنابراین زمانی که در چرخش از طریق دمای Tc خنک می‌شوند، تنها یکی از این دو حالت تشخیص داده می‌شود. حالتی که از نظر انرژی برتری دارد.

برای حل و فصل حالتی که پدید می‌آید، تیم منچستر سرعت‌های چرخشی بحرانی را مورد مطالعه قرار داد تا ببیند l کجا شروع به انحراف از مقدار +-z می‌کند. آن‌ها این کار را در ابتدا با چرخش آزاد گردابی انجام دادند و سپس با تشکیل گرداب‌ها. این وابستگی به سرعت زاویه‌ای زمانی که چرخش در جهت‌های مختلف بکار رود متفاوت است. ثابت می‌شود حالت پایه جایی قرار دارد که l با چرخش بایاس اولیه Ω در جایی که گذار ابرشاره را قطع می‌کند، ناموازی است. این نتیجه با آنچه که انتظار می‌رفت متفاوت است چرا که پیش‌بینی می‌شد اندازه حرکت زاویه‌ای کل،L ، در امتداد سرعت زاویه‌ای Ω جهت‌گیری کند. با این وجود با نگاه کردن به بافت‌های اسکیرمیون گردابی (شکل بالا) که تحت چرخش پدید آمده‌اند، تفاوت‌های کوچکی در انرژی کل پیش‌بینی می‌شود و حالت l̂ ∥−Ω از اسکیرمیون‌های دایره‌ای نشان داده شده در دیسک که انرژی پایین‌تری دارند ناشی می‌شود.

در مقابل، معرفی اسکیرمیون‌های هذلولوی، تمایل شکافت نمونه تک‌دامنه را با دیواره‌های محدود به ساختار چند‌دامنه در چرخش‌های بعدی بهبود می‌بخشد. دیواره‌های محدود به راحتی چرخش بیشتری را به دام می‌اندازند به گونه‌ای که نمونه‌های چند‌دامنه سرعت بحرانی کمتری را نشان می‌دهند و اغلب به علت ساختار ورقه گردابی با افزایش یا کاهش چرخش تقریباً رفتار غیرهیسترتیک نشان می‌دهند (سمت راست شکل).

اندازه‌گیری‌های نوسان‌گر پیچشی دارای وضوح بالای وامزلی و گولو [4] (با حساسیت تشخیص تقریباً یک گرداب)، نشان داده‌ که ممکن است حالت‌های کوانتومی همدوس با خاصیت کایرالی تعیین شده ایجاد کنند. این، انتظارهای قبلی بدست آمده از محاسبات عددی را تایید می‌کند و به مطالعه‌های بعدی پدیده جدید منسوب به طبیعت کایرالی 3He-A یا آنالوگ الکترون Sr2RuO4 – یک ابررسانا با اسپین سه‌گانه و موج p کایرال کمک می‌کند [5]. اندازه‌گیری و کنترل بهتر بافت‌ها به منظور حل و فصل کردن اختلاف طولانی‌ مدت در مورد اندازه حرکت زاویه‌ای کل در سیستم همدوس ماکروسکوپی مهم است یا هم‌چنین برای حل و فصل کردن فرمیون‌های ویل، ماجورانا و دیراک که اساساً در فیزیک ذرات معرفی شده‌اند. نمونه آزمایشگاهی منچستر به عنوان مثال اجازه کاوش فرمیون‌های ماجورانا را می‌دهد که تنها در حالت‌های سطحی دیواره جانبی استوانه‌ای وجود دارند و طیف انرژی آن‌ها به شکل یک قوس فرمی می‌باشد. سایر فرمیون‌های ماجورانا انتظار می‌رود در مرکز اجسام با توپولوژی جدید وجود داشته باشد مانند گرداب نیمه‌کوانتومیِ هنوز مشاهده نشده که رشته آلیس در فیزیک ذرات نامیده می‌شود و طیف انرژی فرمیونی آن هیچ پراکندگی نداردpsi.ir