แบบจำลองการคำนวณที่มีประสิทธิภาพรุ่นแรกของสิ่งที่เรียกว่าโลหะ “แปลก” ได้เปิดเผยว่าอันที่จริงแล้วพวกมันเป็นสถานะใหม่ของสสาร แบบจำลองนี้พัฒนาโดยนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยคอร์เนลล์และสถาบัน Flatiron ทั้งในนิวยอร์ก สามารถพัฒนาความเข้าใจของเราเกี่ยวกับวัสดุควอนตัมที่มีความสัมพันธ์อื่นๆ เช่น ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงและแม้แต่หลุมดำ
โลหะแปลก ๆ ได้ชื่อมาจากพฤติกรรมแปลกประหลาด
ของอิเล็กตรอน ต่างจากอิเล็กตรอนในโลหะธรรมดาซึ่งเดินทางอย่างอิสระโดยมีปฏิสัมพันธ์เพียงเล็กน้อยและมีความต้านทานน้อย อิเล็กตรอนในโลหะแปลก ๆ จะเคลื่อนที่อย่างเชื่องช้าและอยู่ในรูปแบบที่จำกัด พวกเขายังกระจายพลังงานในอัตราที่เร็วที่สุดที่อนุญาตโดยกฎพื้นฐานของกลศาสตร์ควอนตัม ในแง่นี้ โลหะแปลก ๆ จะอยู่ที่ไหนสักแห่งระหว่างโลหะและฉนวนซึ่งมีอิเล็กตรอนที่มีปฏิกิริยารุนแรงซึ่งอยู่ในตำแหน่งคงที่
แต่ความแปลกประหลาดของพวกเขาไม่ได้จบเพียงแค่นั้น เป็นเวลากว่า 30 ปีที่นักวิจัยงงงวยกับความจริงที่ว่าโลหะแปลก ๆ สามารถกลายเป็นตัวนำยิ่งยวดเมื่อถูกทำให้เย็นลงต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤต (ค่อนข้างสูง) ในขณะที่แบบจำลองของพฤติกรรมนี้มีอยู่มาระยะหนึ่งแล้ว แต่ก็ไม่สามารถแก้ไขได้อย่างแม่นยำเพราะอิเล็กตรอนถูกพันกัน หมายความว่าพวกมันไม่สามารถถูกปฏิบัติเป็นอนุภาคเดี่ยวได้ ยิ่งไปกว่านั้น วัสดุจริงใดๆ จะมีอิเลคตรอนจำนวนมหาศาล ทำให้ไม่สามารถหาคำตอบที่แน่นอนได้
การเปลี่ยนผ่านระหว่างโลหะธรรมดากับฉนวนทีมนักวิจัยที่นำโดยEun-Ah Kim จาก ภาควิชาฟิสิกส์ของ Cornellได้แก้ไขปัญหานี้โดยใช้สองวิธีร่วมกัน ประการแรก พวกเขาใช้เทคนิค “การฝังควอนตัม” ตามแนวทางที่พัฒนาขึ้นในปี 1990 โดยสมาชิกในทีม Antoine Georges จากศูนย์ฟิสิกส์ควอนตัมของสถาบัน Flatiron Institute for Computational Quantum Physics (CCQ) ที่นี่ นักวิจัยทำการคำนวณโดยละเอียดเกี่ยวกับอะตอมสองสามตัวในระบบ แทนที่จะเป็นระบบควอนตัมทั้งหมด จากนั้นพวกเขาใช้อัลกอริธึมควอนตัมมอนติคาร์โลซึ่งอาศัยการสุ่มตัวอย่างอะตอมเพื่อแก้แบบจำลองของโลหะแปลก ๆ ลงไปที่ศูนย์สัมบูรณ์
คิมอธิบายว่าคุณลักษณะสำคัญของแบบจำลอง
ที่ได้คือเมื่อพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนต่ำ และตำแหน่งของพวกมันจึงคงที่มากขึ้น ระบบจะเข้าสู่สถานะฉนวนแก้วหมุนที่เรียกว่า ในสถานะนี้ การโต้ตอบแบบสุ่มระหว่างสปินอิเล็กตรอนไม่อนุญาตให้แต่ละสปินชี้ไปในทิศทางเดียวกับการหมุนของเพื่อนบ้าน ทำให้เกิด “ความผิดหวัง” และการจัดตำแหน่งสปินแบบสุ่ม
ในทางกลับกัน เมื่อพลังงานจลน์สูง อิเลคตรอนจะเคลื่อนที่อย่างอิสระ และระบบจะเข้าสู่สถานะที่มีการโต้ตอบกันเล็กน้อยซึ่งเรียกว่าของเหลวเฟอร์มี ในสถานะนี้ อิเล็กตรอนจำนวนมากสามารถจำลองเป็นควอซิอนุภาคที่ไม่มีปฏิกิริยา โดยแต่ละตัวมีมวลที่มีประสิทธิภาพมากกว่าอิเล็กตรอนอิสระ แบบจำลอง Fermi-liquid นั้นดีในการทำนายคุณสมบัติของโลหะทั่วไป รวมถึงข้อเท็จจริงที่ว่า ที่อุณหภูมิต่ำ ความต้านทานของเครื่องชั่งโลหะทั่วไปด้วยค่ากำลังสองของอุณหภูมิ
Kim ชี้ให้เห็นว่ามาตราส่วนนี้ใช้ไม่ได้กับโลหะแปลก ๆ ในทางกลับกัน ค่าการนำไฟฟ้าของพวกมันจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเป็นเส้นตรง โดยที่ค่าคงที่พลังค์และโบลซ์มันน์ปรากฏเป็นปัจจัยการปรับขนาด ด้วยเหตุผลนี้ โลหะแปลก ๆ บางครั้งจึงเรียกว่าของเหลวที่ไม่ใช่เฟอร์มี หรืออาจเรียกอีกอย่างว่าโลหะพลังค์เคียน
โลหะ “ไม่เต็มใจ”โดยการปรับอัตราส่วนระหว่างพลังงานจลน์และพลังงานปฏิสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนในแบบจำลอง นักวิจัยสามารถขับเคลื่อนระบบแบบจำลองของพวกเขาไปสู่การเปลี่ยนแปลงระหว่างโลหะธรรมดากับฉนวนที่ขับเคลื่อนด้วยปฏิสัมพันธ์ เมื่อถึงจุดนี้ โลหะแปลก ๆ ก็ปรากฏเป็นสถานะของสสารใหม่ โดยมีพรมแดนติดกับระยะที่รู้จักทั้งสองนี้
โลหะแปลก ๆ กลายเป็นคนแปลกหน้ายิ่งขึ้น
“เราพบว่ามีพื้นที่ทั้งหมดในพื้นที่เฟสที่แสดงพฤติกรรมของพลังค์ มากกว่าที่จะอยู่ในระยะใดระยะหนึ่งที่เรากำลังเปลี่ยนระหว่าง” คิมกล่าว ในสถานะของเหลวสปินควอนตัมนี้ อิเล็กตรอนไม่ได้ถูกล็อคไว้อย่างสมบูรณ์ แต่ก็ไม่ได้เป็นอิสระอย่างสมบูรณ์เช่นกัน เธอกล่าวเสริมว่า – ทำให้วัสดุเป็นโลหะ แต่จะ “ไม่เต็มใจ” เท่านั้น
ผลลัพธ์ใหม่ซึ่งมีรายละเอียดในPNASสามารถให้แสงสว่างใหม่แก่ฟิสิกส์ของตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง ซึ่งเกี่ยวข้องกับโลหะพลังค์เกียนโดยที่ความต้านทานไฟฟ้าของพวกมันไม่แปรผันตามอุณหภูมิที่คาดไว้ ที่น่าแปลกใจกว่านั้น มันสามารถเชื่อมโยงกับฟิสิกส์ดาราศาสตร์ได้ เช่นเดียวกับโลหะแปลก ๆ หลุมดำมีคุณสมบัติ (เช่น ระยะเวลาที่หลุมดำ “สะท้อน” หลังจากรวมเข้ากับหลุมดำอื่น) ซึ่งขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและค่าคงที่พลังค์และโบลซ์มันน์เท่านั้น “ความจริงที่ว่าคุณพบว่าการปรับขนาดเดียวกันนี้ในระบบที่แตกต่างกันทั้งหมดนั้นน่าทึ่งมาก” สมาชิกในทีมOlivier Parcolletแห่ง CCQ กล่าวเสริม
ปริมาณรังสีสำหรับเจ้าหน้าที่ที่ยืนห่างออกไป 1 เมตรในขณะที่เอ็กซ์เรย์ทรวงอกถูกถ่ายผ่านกระจกจะเทียบเท่ากับการแผ่รังสีพื้นหลังตามธรรมชาติประมาณสามชั่วโมงในออสเตรเลีย (น้อยกว่า 0.5 µSv) และต่ำกว่านั้นอีก เราสนับสนุนให้พนักงานเพิ่มระยะห่างสูงสุดจากการถ่ายภาพผู้ป่วย และให้ห่างจากกระจกนอกห้องที่กระเจิงกลับออกไปด้วย
ขณะนี้เราได้ทำเอ็กซ์เรย์ทรวงอกหลายร้อยครั้งโดยใช้เทคนิคนี้ ในรอบห้องผู้ป่วยหนัก (ICU) ช่างถ่ายภาพรังสีหนึ่งคนและพยาบาลมักจะอยู่ในห้อง ในขณะที่ช่างถ่ายภาพรังสีคนที่สองใช้เครื่องเอ็กซ์เรย์จากภายนอกห้อง ในแผนกฉุกเฉินซึ่งห้องไม่ใหญ่นัก พนักงานจะออกจากห้องไปในขณะที่ทำการเอ็กซ์เรย์ เทคนิคนี้ไม่ควรใช้ผ่านกระจกตะกั่ว
เจ้าหน้าที่ต้องพิจารณาว่าเทคนิคนี้เหมาะสมกับผู้ป่วยแต่ละรายหรือไม่ และรวมถึงคำถามทางคลินิกด้วย ตัวอย่างเช่น จะไม่เป็นประโยชน์ในกรณีที่ผู้ป่วยขนาดใหญ่กึ่งตั้งตรงเพื่อยืนยันตำแหน่งท่อช่วยหายใจแบบรูกว้าง ในกรณีเหล่านี้ เทคนิคนอนหงายในห้องจะตอบคำถามทางคลินิกได้รวดเร็วขึ้นและมีโอกาสน้อยที่จะต้องทำเอ็กซ์เรย์ซ้ำ
หนึ่งในไฮไลท์ของการนำเทคนิคนี้ไปใช้คือการทำงานเป็นทีมและจิตวิญญาณในการทำงานร่วมกัน นักรังสีวิทยา นักถ่ายภาพรังสี นักฟิสิกส์ พยาบาลป้องกันการติดเชื้อ พยาบาลไอซียู และนักวิจัยต่างก็ทำงานร่วมกัน การปรับตัวเป็นกุญแจสำคัญในการตอบสนองต่อการระบาดใหญ่ของเรา
Credit : hospitalpoetry.com hotairpress.org hotelacciudaddepamplona.com hpfruit.net hzsychw.com
