در قلمرو شگفتانگیز فیزیک کوانتوم، درک چگونگی تغییر حالت مواد یکی از پایههای اصلی پژوهش است. برای دههها، یک پرسش خاص ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده بود: چه عاملی دقیقاً گذار یک ماده ابررسانا، که الکتریسیته را با مقاومت صفر هدایت میکند، به یک ماده عایق را کنترل میکند؟ مطالعهای جدید پاسخی قطعی برای این پرسش ارائه میدهد و یک نظریه قدیمی را از طریق آزمایشهای دقیق تأیید میکند.
تیمی از پژوهشگران، شامل دیگو سوبهرو، یو-چنگ چانگ و میگل مونتیرو از دانشگاه آلتو، شواهد قانعکنندهای ارائه کردهاند که ماهیت این تغییر بنیادی، موسوم به گذار اشمید-بولگادایف، را روشن میسازد. کار آنها که بر روی مدارهای ابررسانای کوچک به نام اتصالات جوزفسون متمرکز است، نشان میدهد که این گذار تصادفی نیست. در عوض، این پدیده در یک مقدار بحرانی و مشخص از مقاومت الکتریکی رخ میدهد؛ مقداری که توسط ثابتهای بنیادی طبیعت که رفتار جفتهای کوپر (جفتالکترونهای مسئول ابررسانایی) را کنترل میکنند، تعیین میشود.
هسته اصلی این پژوهش، بازنگری این گذار فاز ناشی از اتلاف انرژی است. برخلاف گذارهای فاز معمول که با دما هدایت میشوند (مانند ذوب شدن یخ و تبدیل آن به آب)، این گذار ناشی از اتلاف—یعنی از دست دادن انرژی به محیط اطراف—است. این تیم یک مجموعه آزمایشی هوشمندانه با یک محیط مقاومتی کنترلشده طراحی کرد که از مقاومتهای ویژهای بر روی تراشه استفاده میکرد. این رویکرد به آنها اجازه داد تا اتلاف انرژی را با دقت کنترل کرده و مشخصات ولتاژ-جریان اتصالات جوزفسون را در طیف وسیعی از پارامترها به صورت سیستماتیک مطالعه کنند.
یافتههای آنها الگویی واضح و سازگار را نشان داد. هنگامی که مقاومت محیطی زیر مقدار بحرانی تقریباً ۶.۵ کیلواُهم بود، اتصال جوزفسون مانند یک ابررسانا عمل میکرد. اما به محض اینکه مقاومت از این مقدار کوانتومی فراتر میرفت، رفتار اتصال تغییر کرده و وارد حالت عایق میشد. این تغییر ناگهانی، مشخصه بارز یک گذار فاز است و پشتیبانی محکمی برای نظریه اشمید-بولگادایف فراهم میکند که دهها سال پیش برای اولین بار ارائه شده بود.
این پژوهش از اهمیت ویژهای برخوردار است زیرا به حل تناقضات اخیر در این حوزه کمک میکند. برخی از آزمایشهای پیشین، بهویژه آنهایی که از فرکانسهای مایکروویو استفاده میکردند، در مشاهده این فاز عایق ناموفق بودند و تردیدهایی را در مورد این نظریه ایجاد کرده بودند. اندازهگیریهای سیستماتیک و فرکانس پایین تیم دانشگاه آلتو، شواهد قویتر و مستقیمتری ارائه میدهد و نقش حیاتی نوسانات کوانتومی در هدایت این گذار را برجسته میکند. این یافتهها نه تنها درک ما از اتلاف انرژی در سیستمهای کوانتومی را عمیقتر میکند، بلکه پیامدهای عملی برای توسعه نسل بعدی دستگاههای کوانتومی دارد، جایی که کنترل چنین حالتهای ظریفی از اهمیت بالایی برخوردار است.