โลหะที่ ‘ไม่เต็มใจ’ สร้างสถานะใหม่ของสสาร

โลหะที่ 'ไม่เต็มใจ' สร้างสถานะใหม่ของสสาร

แบบจำลองการคำนวณที่แข็งแกร่งแบบแรกของโลหะที่เรียกว่า “แปลก” ได้เปิดเผยว่าแท้จริงแล้วพวกมันเป็นสถานะใหม่ของสสาร แบบจำลองที่พัฒนาโดยนักฟิสิกส์ ทั้งในนิวยอร์ก สามารถพัฒนาความเข้าใจของเราเกี่ยวกับวัสดุควอนตัมที่เกี่ยวข้องอื่นๆ เช่น ตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิสูงและแม้แต่หลุมดำ โลหะแปลก ๆ ได้ชื่อมาจากพฤติกรรมที่แปลกประหลาดของอิเล็กตรอน ซึ่งแตกต่างจาก

อิเล็กตรอน

ในโลหะทั่วไปซึ่งเดินทางอย่างอิสระโดยมีอันตรกิริยาเพียงเล็กน้อยและมีความต้านทานน้อย อิเล็กตรอนในโลหะแปลก ๆ จะเคลื่อนที่ช้าและเป็นแบบจำกัด พวกมันยังกระจายพลังงานในอัตราที่เร็วที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ตามกฎพื้นฐานของกลศาสตร์ควอนตัม ในแง่นี้ โลหะแปลก ๆ จะอยู่ระหว่างโลหะกับฉนวน 

ซึ่งมีอิเล็กตรอนที่มีปฏิสัมพันธ์รุนแรงซึ่งครอบครองตำแหน่งคงที่ แต่ความแปลกประหลาดของพวกเขายังไม่จบเพียงแค่นั้น เป็นเวลากว่า 30 ปีที่นักวิจัยต่างงงงวยกับข้อเท็จจริงที่ว่าโลหะแปลก ๆ สามารถกลายเป็นตัวนำยิ่งยวดได้เมื่อเย็นลงต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤต (ค่อนข้างสูง) แม้ว่าแบบจำลอง

ของพฤติกรรมนี้มีมาระยะหนึ่งแล้ว แต่ก็ไม่สามารถแก้ไขได้อย่างถูกต้องเนื่องจากอิเล็กตรอนถูกพันกัน ซึ่งหมายความว่าไม่สามารถปฏิบัติเสมือนเป็นอนุภาคเดี่ยวได้ ยิ่งไปกว่านั้น วัตถุจริงใดๆ จะมีอิเล็กตรอนจำนวนมหาศาล ทำให้ไม่สามารถแก้ปัญหาได้อย่างแม่นยำ การเปลี่ยนผ่านระหว่างโลหะธรรมดา

กับฉนวน ทีมนักวิจัยที่จากภาควิชาฟิสิกส์ของ Cornellได้แก้ไขปัญหานี้โดยใช้สองวิธีร่วมกัน ประการแรก พวกเขาใช้เทคนิค “การฝังควอนตัม” ตามแนวทางที่พัฒนาขึ้นในปี 1990 โดยสมาชิกจาก ศูนย์ฟิสิกส์ควอนตัมเชิงคำนวณ ที่นี่ นักวิจัยทำการคำนวณโดยละเอียดเกี่ยวกับอะตอมสองสามตัว

ในระบบ แทนที่จะเป็นการคำนวณในระบบควอนตัมทั้งหมด จากนั้นพวกเขาใช้อัลกอริธึมควอนตัมมอนติคาร์โล ซึ่งอาศัยการสุ่มตัวอย่างอะตอม เพื่อแก้แบบจำลองของโลหะแปลก ๆ ให้เหลือศูนย์สัมบูรณ์

คิมอธิบายว่าคุณลักษณะสำคัญของแบบจำลองผลลัพธ์คือ เมื่อพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนต่ำ 

และตำแหน่ง

ของพวกมันจะคงที่มากขึ้น ระบบจะเข้าสู่สถานะที่เรียกว่าฉนวนแก้วหมุน ในสถานะนี้ ปฏิสัมพันธ์แบบสุ่มระหว่างสปินของอิเล็กตรอนไม่อนุญาตให้สปินแต่ละอันชี้ไปในทิศทางเดียวกับสปินของเพื่อนบ้าน ซึ่งนำไปสู่ ​​”ความหงุดหงิด” และการจัดตำแหน่งสปินแบบสุ่ม

ในทางกลับกัน เมื่อพลังงานจลน์สูง อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่อย่างอิสระ และระบบจะเข้าสู่สถานะที่มีปฏิสัมพันธ์อย่างอ่อนซึ่งเรียกว่าของเหลว ในสถานะนี้ อิเล็กตรอนจำนวนมากสามารถสร้างแบบจำลองเป็นอนุภาคควอซิพัทเทอร์ที่ไม่มีปฏิสัมพันธ์ ซึ่งแต่ละอนุภาคมีมวลที่มีประสิทธิภาพมากกว่าอิเล็กตรอน

อิสระ แบบจำลอง นั้นดีในการทำนายคุณสมบัติของโลหะทั่วไป รวมถึงข้อเท็จจริงที่ว่า ที่อุณหภูมิต่ำ ความต้านทานของเกล็ดโลหะทั่วไปจะมีกำลังสองของอุณหภูมิ คิมชี้ให้เห็นว่าการปรับขนาดนี้ใช้ไม่ได้กับโลหะแปลก ๆ การนำไฟฟ้าจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเป็นเส้นตรง โดยค่าคงที่ของพลังค์

และโบลต์ซมันน์จะเป็นปัจจัยสเกล ด้วยเหตุนี้ บางครั้งโลหะแปลก ๆ จึงถูกเรียกว่าเป็นของเหลวที่ไม่ใช่แฟร์มี (non-Fermi) หรืออีกทางหนึ่งคือโลหะของพลังค์ โลหะที่ “ไม่เต็มใจ”การปรับอัตราส่วนระหว่างพลังงานจลน์และพลังงานปฏิสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนในแบบจำลองของพวกเขา 

นักวิจัยสามารถขับเคลื่อนระบบแบบจำลองของพวกเขาไปสู่การเปลี่ยนแปลงระหว่างโลหะธรรมดาและฉนวนที่ขับเคลื่อนด้วยปฏิสัมพันธ์ ณ จุดนี้ โลหะแปลก ๆ ปรากฏขึ้นเป็นสถานะใหม่ของสสาร โดยมีขอบเขตที่ทราบทั้งสองขั้นตอนนี้ “เราพบว่ามีพื้นที่ทั้งหมดในเฟสสเปซที่แสดงพฤติกรรม

ของพลังค์แทนที่จะเป็นของหนึ่งในสองเฟสที่เรากำลังเปลี่ยนผ่าน” คิมกล่าว ในสถานะของเหลวควอนตัมสปินนี้ อิเล็กตรอนไม่ได้ถูกล็อกอย่างสมบูรณ์ แต่ก็ไม่เป็นอิสระอย่างสมบูรณ์เช่นกัน เธอกล่าวเสริม ทำให้วัสดุเป็นโลหะ แต่ก็ทำได้แค่ “ฝืนใจ” เท่านั้น

ผลลัพธ์ใหม่ซึ่งมีรายละเอียดอยู่ในPNASสามารถฉายแสงใหม่เกี่ยวกับฟิสิกส์ของตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง ซึ่งเกี่ยวข้องกับโลหะของพลังค์ที่ความต้านทานไฟฟ้าไม่แปรผันตามอุณหภูมิที่คาดไว้เช่นกัน ที่น่าประหลาดใจยิ่งกว่านั้น มันอาจมีความเชื่อมโยงกับฟิสิกส์ดาราศาสตร์ด้วย เช่นเดียวกับโลหะแปลกๆ 

ได้จัดตั้ง

หน่วยงานกระจายความเสี่ยงด้านกลาโหมขึ้นภายใน DERA เพื่อเพิ่มการถ่ายโอนการถ่ายทอดเทคโนโลยีจากหน่วยงานไปยังบริษัทต่าง ๆ ทั้งในภาคพลเรือนและภาคกลาโหม โครงการคลังที่เรียกว่าความร่วมมือระหว่างภาครัฐและเอกชนจะถูกใช้เพื่อกระจายต้นทุนของโครงการวิจัยในอนาคต

ระหว่างกระทรวงกลาโหมและภาคเอกชน ปัจจุบัน AWE มีงบประมาณประมาณ 302 ล้านปอนด์ตามการตรวจสอบ กว่าครึ่งหนึ่งของจำนวนนี้ 168 ล้านปอนด์ ใช้จ่ายไปกับการบำรุงรักษา ความปลอดภัย และการปรับปรุงสภาพแวดล้อมในการผลิต การทดสอบ การวิจัย และโรงงานผลิต 

ค่าใช้จ่ายที่เกี่ยวข้องกับระบบอาวุธนิวเคลียร์ตรีศูลคิดเป็นเงินอีก 91 ล้านปอนด์ ใช้เงินอีก 11 ล้านปอนด์ในการรื้ออาวุธนิวเคลียร์เก่าในปี 1997/98 จากข้อมูลของ MoD สหราชอาณาจักรยังถือครองพลูโตเนียม 7.6 ตัน ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะสูง 21.9 ตัน และยูเรเนียมรูปแบบอื่นอีก 15,000 ตัน

แม้ว่าสหราชอาณาจักรจะล้มเลิกแผนการพัฒนาอาวุธนิวเคลียร์ใหม่ ๆ แต่ AWE คาดว่าจะรักษาความเชี่ยวชาญในการออกแบบหัวรบนิวเคลียร์ผ่านโครงการดูแลคลังสินค้าแบบเดียวกับที่ตั้งขึ้นในสหรัฐอเมริกา สิ่งอำนวยความสะดวกเลเซอร์ขนาดใหญ่ซึ่งสามารถสร้างสภาวะที่คล้ายกับที่มีอยู่

credit : เว็บแท้ / ดัมมี่ออนไลน์