Observation of multipartite spin entanglement in a cuprate chain

في عالم المواد الكمومية، لا تُعرَّف أكثر حالات المادة إثارة للاهتمام من خلال ترتيب الذرات، بل بكيفية اتصال الإلكترونات داخلها. تخيل مجموعة من الأشخاص حيث يرتبط كل فرد بالآخر بخيط غير مرئي وغير قابل للكسر؛ في العالم الكمومي، يُسمى هذا الاتصال "التشابك". عندما تكون الجسيمات متشابكة، فإنها تفقد هويتها الفردية وتتصرف كنظام واحد موحد، بغض النظر عن مدى تباعدها. هذه الظاهرة هي المحرك وراء السلوكيات الغريبة للمواد الغريبة، من المغناطيسات التي ترفض الاستقرار في نمط ثابت إلى الموصلات الفائقة التي تنقل الكهرباء دون مقاومة. لعقود من الزمن، اعتقد العلماء أن هذه الحالات المعقدة وعالية التشابك شائعة في الطبيعة، ومع ذلك كان إثبات وجودها في قطعة صلبة من المادة أمراً مستحيلاً تقريباً. فالأدوات المستخدمة للنظر داخل هذه المواد عادة ما ترى فقط السلوك المتوسط لمليارات الجسيمات، مما يؤدي إلى طمس الروابط الدقيقة والمحددة التي تُعرّف الحالة الكمومية. ولكي يفهم الباحثون هذه المواد حقاً، كانوا بحاجة إلى طريقة لعدّ عدد الجسيمات المتشابكة بالضبط في عقدة واحدة لا يمكن فصلها.

لقد حقق فريق من الفيزيائيين الآن هذا الإنجاز، باستخدام تقنية قوية تسمى "تشتت الأشعة السينية غير المرن الرنيني" للنظر مباشرة في القلب الكمومي لبلورة تعتمد على النحاس. لقد ركزوا على مادة محددة تُعرف باسم Sr2CuO3، والتي تشكل سلاسل طويلة ونحيفة من ذرات النحاس. في هذا الهيكل أحادي الأبعاد، تُجبر الإلكترونات على التفاعل بطريقة مقيدة للغاية، مما يخلق مختبراً مثالياً لدراسة الروابط الكمومية. ومن خلال إطلاق أشعة سينية عالية الطاقة على البلورة وتحليل الضوء المرتد بعناية، تمكن الباحثون من عزل الاهتزازات المغناطيسية للإلكترونات. ووجدوا أنه عند درجات الحرارة المنخفضة، لا تعمل الإلكترونات في هذه السلاسل في أزواج أو مجموعات صغيرة فحسب، بل هي متشابكة بعمق في مجموعات لا تقل عن سبعة. وهذا يعني أن سبعة لفات (spins) منفصلة مقفلة معاً في حالة كمومية واحدة، وهو مستوى من التعقيد يعد من بين الأعمق التي تم قياسها في مادة صلبة. ويؤكد هذا الاكتشاف أن هذه المواد تحتضن حالة أرضية عالية التشابك، تماماً كما توقعت النماذج النظرية، وأن هذا التشابك قوي بشكل مفاجئ، حيث يصمد حتى عند تسخين المادة إلى درجات حرارة تتلاشى عندها مثل هذه التأثيرات الكمومية الدقيقة عادةً.

تكمن أهمية هذا الاكتشاف في الطريقة المستخدمة للكشف عنه. لسنوات، اعتمد العلماء على مفهوم رياضي يسمى "معلومات فيشر الكمومية" لتحديد عمق التشابك. تعمل هذه القيمة كشاهد: إذا كان الرقم مرتفعاً بما يكفي، فإنه يثبت أن عدداً معيناً من الجسيمات متشابكة. ومع ذلك، فإن حساب هذا الرقم يتطلب عادةً معرفة الحالة الدقيقة لكل جسيم، وهو أمر مستحيل قياسه مباشرة في مادة صلبة. تمثل الاختراق في هذا العمل في إيجاد طريقة لاستخراج هذه المعلومات مباشرة من طيف التقلبات المغناطيسية المرصودة في تجربة الأشعة السينية. كان على الباحثين التغلب على عقبة كبيرة: الأشعة السينية التي استخدموها تتفاعل مع المادة بطريقتين مختلفتين؛ أحد هذين التفاعلين يقلب لف الإلكترون، بينما يترك الآخر اللف دون تغيير. هاتان الإشارتان مختلطتان في البيانات، مما يجعل من الصعب رؤية الاهتزازات المغناطيسية المحددة اللازمة لحساب التشابك. ومن خلال دمج بياناتهم التجريبية مع محاكاة حاسوبية دقيقة لسلوك المادة، تمكن الفريق من فصل هذه الإشارات رياضياً. لقد عزلوا الجزء المحدد من الإشارة الذي يتوافق مع قلب اللفات، وهو المفتاح لقياس عمق التشابك.

وعندما طبقوا هذه الطريقة على البيانات التي جُمعت عند 35 كلفن، كانت النتائج مذهلة. فعند حافة نطاق الزخم للمادة، أشارت القيمة المحسوبة إلى أن الإلكترونات متشابكة في مجموعات لا تقل عن سبعة. وهذه نتيجة عميقة لأنها تثبت أن الارتباطات الكمومية في هذه المادة تمتد عبر مسافة كبيرة، وتتضمن عدداً كبيراً من الجسيمات في وقت واحد. كما اختبر الباحثون مدى صمود هذا التشابك مع ارتفاع درجة الحرارة؛ فقد كرروا التجربة عند 220 كلفن، وهي بيئة أكثر دفئاً بكثير. وبينما ضعف التشابك، كما هو متوقع عندما تعطل الطاقة الحرارية النظام الكمومي، إلا أن المادة لا تزال تظهر دليلاً على تشابك خمسة جسيمات على الأقل معاً. ويعد هذا الاستمرار أمراً لافتاً لأن مقاييس الطاقة في هذه المادة كبيرة بما يكفي للحفاظ على استقرار الحالة الكمومية حتى في درجات الحرارة التي قد تدمر التشابك في معظم الأنظمة الأخرى. وتتوافق النتائج تماماً مع التوقعات لنموذج نظري يُعرف باسم "نموذج هوبارد الممتد"، والذي يصف كيفية انتقال الإلكترونات بين الذرات وتنافرها. إن الاتفاق بين التجربة والنظرية يؤكد صحة النموذج ويؤكد أن الباحثين يقيسون بالفعل الطبيعة الكمومية الحقيقية للمادة.

إن هذا العمل لا يكتفي بمجرد قياس رقم، بل يضع طريقة جديدة لاستكشاف العالم الكمومي. فمن خلال إثبات أن تشتت الأشعة السينية يمكن استخدامه لقياس التشابك، فتح الباحثون باباً لدراسة أنواع أخرى من الروابط في المواد، مثل تلك المتعلقة بالشحنة الكهربائية أو مدارات الإلكترونات. يمكن لهذه التقنية أن تساعد العلماء في النهاية على فهم الحالات الغامضة الموجودة في الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية، حيث لا تزال طبيعة الروابط الكمومية واحدة من أكبر الألغاز غير المحلولة في الفيزياء. إن القدرة على اكتشاف وقياس هذه التشابكات العميقة توفر معياراً ملموساً لاختبار النظريات وتصميم مواد جديدة. إنها تنقل المجال من مرحلة التخمين حول وجود الارتباطات الكمومية إلى مرحه عدّها فعلياً، مما يوفر صورة أوضح للخيوط غير المرئية التي تربط العالم الكمومي ببعضه البعض. وتعد دراسة Sr2CuO3 بمثابة إثبات للمبدأ، حيث تظهر أنه مع الأدوات المناسبة والتحليل الدقيق، يمكن إخراج التعقيد الخفي للمواد الكمومية إلى الضوء.