الغرافين — ورقة كربون بسمك ذرة واحدة — يمكنه تغيير خصائصه المغناطيسية مثلما يغير الماء شكله: تارة يتدفق، وتارة يتجمد كالجليد. في عمل جديد، نظر الفيزيائيون لأول مرة إلى داخل هذه العملية باستخدام مستشعر بحجم رأس إبرة. يلتقط المستشعر المجال المغناطيسي كما يلتقط الإصبع دفء المدفأة — عن بُعد.
اتضح أن تغير الحالات في الغرافين ليس انزلاقًا سلسًا، بل قفزة حادة. كما لو أن الماء لا يبرد تدريجيًا، بل يتحول فورًا إلى جليد عند الصفر. وفي الوقت نفسه، تظهر في المادة عند الحدود بين الحالتين بقع مغناطيسية وميضة — مثل جزر جليدية في ماء ما زال سائلًا. هذا يعني أن الحالتين يمكن أن تتعايشا، متنافستين على المكان.
هذه القفزات مهمة: إذا تعلمنا التحكم فيها، يمكننا صنع مفاتيح لأجهزة الكمبيوتر الكمومية. الحالة المغناطيسية للغرافين تشبه مفتاح الضوء: نقرة — ويسري التيار. لكن بدل التيار، لدينا دوران الإلكترون، وهو "القمة الدوارة" الداخلية للجسيم.
يُظهر العمل لأول مرة أن التحولات الطوبولوجية في الغرافين قفزية، مثل تغير حالات الماء الفيزيائية. هذا يغير نظرتنا إلى طبيعة الأطوار الكمومية ويفتح الطريق لأجهزة جديدة.
كما كتبه المؤلفون، بالإنجليزية arXiv:2608.08697v1
Topological quantum phase transitions in non interacting systems occur through continuous gap closing and reopening. In strongly interacting systems, however, competing ordered states have long been predicted to drive first order transitions, although this possibility has remained experimentally unresolved. Recent transport studies of correlated phases in charge neutral rhombohedral graphene were interpreted as evidence for continuous topological transitions. Here, using nanoSQUID on tip magnetometry, we directly image the local orbital magnetization of a spin orbit proximitized rhombohedral graphene quantum anomalous Hall (QAH) state. We provide the first real space visualization of a QAH phase with a record Chern number, reconstruct its local thermodynamic gap, and track the evolution of its magnetization across competing correlated states. Combined with self consistent Hartree Fock calculations, these measurements show that the sequential transitions between the layer antiferromagnetic, QAH, and layer polarized insulating states are first order, accompanied by discontinuous changes in orbital magnetization. Near the phase boundaries, we observe fluctuating magnetic domains, providing direct microscopic evidence of phase coexistence between nearly degenerate competing ordered states. Together, these observations provide the first direct thermodynamic evidence for first order topological quantum phase transitions and establish a microscopic framework for understanding interaction driven topological quantum phase transitions through phase competition and coexistence.
درجة الحرارة التي تحدث عندها هذه التحولات هي حوالي 1 كلفن، أي أعلى بدرجة واحدة فقط من الصفر المطلق.
في مسلسل «الفضاء»، تستخدم السفن مادة غريبة للقفزات الكمومية — هنا أيضًا قفزات، لكنها مغناطيسية.