Strongly anisotropic non-Kramers electron spin as a quantum coherence probe of angular fluctuations

في عالم الفيزياء الكمومية الهادئ، يحاول العلماء باستمرار الحفاظ على بقاء قطع المعلومات الهشة حية. هذه القطع، التي غالبًا ما تحملها لفات صغيرة من الإلكترونات داخل بلورات صلبة، هي اللبنات الأساسية لتقنيات المستقبل مثل الاتصالات فائقة الأمان والحواسيب فائقة السرعة. ولكي تعمل هذه الأنظمة، يجب أن تظل "اللفات" (spins) متماسكة، مما يعني أن تظل متزامنة ولا تفقد إيقاعها بسبب البيئة الفوضوية المحيطة بها. عادةً ما يقلق الباحثون من الضجيج المغناطيسي أو الحرارة التي قد تفرق هذه اللفات. ومع ذلك، هناك فئة خاصة من المواد تختلف فيها القواعد؛ ففي هذه البلورات، تكون الإلكترونات مقفلة في اتجاه محدد بواسطة البنية البلورية نفسها، مما يجعلها حساسة للغاية حتى لأدنى ميل. إذا مالت البلورة بجزء ضئيل من الدرجة، يتغير إيقاع الإلكترون. وعادة ما يُنظر إلى هذه الحساسية كمشكلة، أي كضعف يؤدي إلى تلاشي المعلومات. لكن هذا يشير أيضًا إلى طريقة جديدة قوية لقياس العالم، محولين الضعف إلى أداة.

لقد نجح فريق من الباحثين الآن في تحويل هذه الفكرة إلى واقع من خلال دراسة بلورة تحتوي على كمية ضئيلة من التيربيوم، وهو عنصر من العناصر الأرضية النادرة. وضعوا هذه البلورة في مجال مغناطيسي واستخدموا نبضات ميكروويف "للاستماع" إلى إيقاع إلكترونات التيربيوم. وما وجدوه هو أن الإلكترونات كانت تفقد إيقاعها بشكل أسرع بكثير مما توقعه الجميع، واعتماد سرعة هذا الفقد كان يعتمد كليًا على زاوية المجال المغناطيسي. عندما كان المجال يميل بالزاوية الصحيحة، تصبح الإلكترونات مضطربة للغاية. أدرك الباحثون أن هذا الاضطراب لم يكن نابعًا من الإلكترونات نفسها أو من ذرات أخرى في البلورة، بل كان ناتجًا عن اهتزاز البلورة نفسها ميكانيكيًا وميلها ذهابًا وإيابًا، مدفوعة بالهمهمة الميكانيكية لمعدات المختبر المحيطة بها.

ولإثبات ذلك، أجرى العلماء سلسلة من الاختبارات الدقيقة. فقد غيروا طريقة تثبيت البلورة، بل وقاموا بتشغيل مضخة قريبة وإطفائها. وعندما كانت المضخة تعمل، زادت الاهتزازات، وفقدت الإلكترونات إيقاعها بشكل أسرع. وعندما أضافوا أوزانًا لتخميد الاهتزازات، حافظت الإلكترونات على إيقاعها لفترة أطول. أكد هذا أن البلورة كانت تعمل كجهاز قياس زلازل دقيق للغاية، حيث تشعر بالارتجافات الميكانيكية للغرفة. وحسب الباحثون أن إعدادهم يمكنه اكتشاف حركات زاوية صغيرة تصل إلى 36 نانو درجة لكل جذر تربيعي من هرتز. ولوضع ذلك في السياق، إذا كنت ستميل مسطرة بطول شعرة بشرية بمقدار أصغر من عرض ذرة واحدة، فإن هذا النظام سيلاحظ ذلك على الأرجف.

كما كشاً كشفت الدراسة أن هذا التأثير ليس مجرد إزعاج يجب تجنبه، بل هو سمة جوهرية لهذه الأنواع المحددة من المواد. في العديد من التجارب الكمومية، يحاول العلماء عزل عيناتهم عن جميع أنواع الضجيج الخارجي. وهنا، أظهر الباحثون أنه بالنسبة لأنواع معينة من البلورات، فإن الضجيج القادم من الغرفة هو في الواقع السبب الرئيسي الذي يمنع الإلكترونات من العمل. لقد بنوا نموذجًا يتضمن هذا الاهتزاز الميكانيكي، ولأول مرة، طابق هذا النموذج البيانات التي جمعوها بدقة عبر مجموعة واسعة من درجات الحرارة وقوة المجالات المغناطيسية. أما النماذج السابقة التي ركزت فقط على التفاعلات المغناطيسية أو الحرارة فقد فشلت تمامًا، حيث توقعت أن الإلكترونات ستستمر لفترة أطول بكثير مما حدث بالفعل.

يغير هذا الاكتشاف طريقة تفكير العلماء في بناء الأجهزة الكمومية. فهو يشير إلى أنه بالنسبة لهذه المواد المحددة، فإن التحكم في الاستقرار الفيزيائي للآلة لا يقل أهمية عن التحكم في المجالات المغناطيسية. فإذا كان الهدف هو الحفاظ على المعلومات الكمومية حية لفترة طويلة، يجب عزل الآلة عن أدنى اهتزاز ميكانيكي. ولكن إذا كان الهدف هو قياس العالم، فيمكن استخدام هذه المواد نفسها كمستشعرات دقيقة للغاية. أظهر الباحثون أنه من خلال ضبط المجال المغناطيسي، يمكنهم جعل البلورة حساسة جدًا بحيث يمكنها رسم خريطة للاهتزازات الصغيرة لجهاز التبريد (cryostat) أو المضخة. هذه الطبيعة المزدوجة تعني أن نفس الخاصية الفيزيية التي تجعل هذه المواد صعبة الاستخدام للحوسبة، تجعلها أيضًا مثالية للاستشعار.

تم هذا العمل باستخدام بلورة من "تنجستات الكالسيوم"، وهي مادة معروفة بهدوئها المغناطيسي، مما سمح للباحثين بعزل هذا التأثير الميكانيكي المحدد. قاموا بقياس الإلكترونات عند درجات حرارة تزيد ببضع درجات فقط عن الصفر المطلق، حيث يكون الضجيج الحراري منخفضًا بما يكفي لسماع الهمسات الميكانيكية. ووجدوا أنه عند درجات الحرارة المنخفضة، كانت الاهتزازات الميكانيكية لمعدات المختبر هي السبب المهيمن على فقدان الإشارة. أما عند درجات الحرارة الأعلى قليلاً، فقد سيطر نوع آخر من الاهتزاز الداخلي داخل البلورة نفسها. ومن خلال فصل هذين التأثيرين، تمكنوا من وصف كيفية حركة البلورة وكيف أثرت تلك الحركة على الإلكترونات بدقة.

لا يحل هذا البحث لغزًا يتعلق ببلورة واحدة محددة فحسب، بل يسلط الضوء على عامل خفي في العديد من التجارب الدقيقة. فأي نظام يستخدم إلكترونات ذات تفضيل اتجاهي قوي يمكن أن يتأثر بهذا النوع من الضجيج الميكانيكي. وتشير النتائج إلى أنه في المستقبل، قد يحتاج العلماء إلى تصميم آلاتهم الكمومية بعزل ميكانيكي أكثر صرامة مما كان يعتقد سابقًا. وعلى العكس من ذلك، قد يستخدمون هذه المواد عمدًا لبناء أنواع جديدة من المستشعرات التي يمكنها اكتشاف الاهتزازات في نطاق الكيلوهرتز، وهو نطاق تردد تعاني فيه المستشعرات الأخرى غالبًا. إن القدرة على تحويل نظام كمومي إلى مسبار ميكانيكي تفتح بابًا جديدًا لفهم كيفية تفاعل العالم المادي مع العالم الكمومي.

أكد الباحثون نتائجهم من خلال مقارنة البيانات من مختبرين مختلفين وباستخدام إعدادين ميكانيكيين مختلفين. في أحد الاختبارات، قاموا ببساطة بشد أو إرخاء البراغي التي تثبت البلورة في مكانها. وعندما كان الإعداد مرتخيًا، كانت الاهتزازات أقوى، وفقدت الإلكترونات إيقاعها بشكل أسرع. وعندما كان الإعداد محكمًا، تحسنت الإشارة. هذا الارتباط المباشر والبسيط بين التثبيت الفيزيائي والإشارة الكمومية لم يترك مجالًا للشك في السبب. تقدم الدراسة صورة واضحة وكمية لكيفية انتقال الضجيج الميكاني من مضخة أو غرفة إلى نظام كمومي، موضحة أن حتى المعدات التي تبدو مستقرة للغاية لها جانب خفي ومضطرب.

في النهاية، تُظهر هذه الورقة البحثية أن الحدود بين العالم الكمومي والعالم الميكانيكي أرق مما كنا نعتقد. فالإلكترونات في بلورة التيربيوم ليست مجرد عائمة في فراغ، بل هي مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالبنية الفيزيائية التي تحتضنها. ومن خلال فهم هذا الاتصال، يمكن للعلماء إما تعلم كيفية إسكات الضجيج لحماية حواسيبهم الكمومية، أو تعلم كيفية الاستماع إليه لبناء مستشعرات أفضل. ويقف هذا العمل كذكرى بأننا في سعينا للسيطرة على أصغر الأشياء، يجب ألا ننسى أبدًا تأثير العالم الأكبر من حولنا.