فیزیکدانان شکل جدیدی از رفتار کوانتومی را کشف کرده اند که در آن ذرات خود را به گونه ای سازماندهی می کنند که نظریه های تثبیت شده را به چالش می کشد. حتی شگفت آورتر، این ذرات با وجود اینکه به یک حالت انرژی شدید رسیده اند، نظم پنهان قابل توجهی را حفظ می کنند.
در مطالعه ای که در نامه معاینه فیزیکیمحققان گروهی به رهبری هانس کریستوف ناگرل، با همکاری فیزیکدان نظری آلویس باستیانلو از CNRS و دانشگاه پاریس-دوفین، چگونگی مهندسی یک حالت کوانتومی عجیب و غریب به نام “دریای فرمی کسری” را شرح می دهند.
این پیشرفت شامل هل دادن اتم های سزیم فوق سرد بسیار فراتر از شرایط عادی آنها با تغییر مکرر میزان جذب یا دفع آنها از یکدیگر است. این ذرات به جای اینکه به سادگی بی‌نظم شوند، خود را به یک پیکربندی غیرعادی بازآرایی می‌کنند که رفتاری متفاوت با سیستم‌های کوانتومی که دانشمندان به طور سنتی مطالعه می‌کنند، دارد.
یافته های نظری مبنایی برای تحقیقات تجربی اخیر انجام شده توسط تیم Nägerl در گروه فیزیک تجربی فراهم می کند.
هل دادن ذرات کوانتومی فراتر از حد طبیعی آنها
در شرایط عادی، ذرات کوانتومی از قوانین به خوبی تثبیت شده پیروی می کنند که نحوه انباشته شدن آنها را مشخص می کند، به خصوص در دماهای بسیار پایین.
یک مثال مهم شامل فرمیون ها است، دسته ای از ذرات که شامل الکترون ها می شود. این ذرات نمی توانند همه یک حالت کوانتومی را اشغال کنند، بنابراین سطوح انرژی موجود را با توجه به محدودیت های خاص پر می کنند. در دماهای بسیار پایین، این آرایش چیزی را تولید می کند که فیزیکدانان آن را دریای فرمی می نامند.
اما چه اتفاقی می‌افتد وقتی محققان عمداً شرایطی را که معمولاً بر رفتار ذرات حاکم است، مختل می‌کنند؟
همانطور که آلویس باستیانلو توضیح می‌دهد: «برای مثال، فرمیون‌ها در حالت‌های انرژی موجود به‌خوبی در یک ردیف قرار می‌گیرند تا به اصطلاح «دریای فرمی» را تشکیل دهند. اما چه اتفاقی می‌افتد اگر کسی اتم‌های برهمکنش را مجبور کند که پیوسته از شرایط شدید عبور کنند و به آرامی آنها را از دفع شدید یکدیگر به سمت جذب شدید یکدیگر حرکت دهند؟
برای کشف این امکان، محققان اتم های سزیم فوق سرد را که در یک سیستم تک بعدی محصور شده بودند، مطالعه کردند. این بدان معناست که اتم‌ها برای حرکت در یک جهت محدود می‌شوند و محیطی ایجاد می‌کنند که در آن می‌توان برهمکنشهای کوانتومی آنها را با کنترل شدید مطالعه کرد.
این تیم بررسی کردند که وقتی فعل و انفعالات بین این اتم‌ها به طور مکرر تنظیم می‌شوند، چه اتفاقی می‌افتد و بین دافعه و جاذبه قوی تغییر می‌کند.
محاسبات آنها چیزی غیرمنتظره را فاش کرد. با شروع از حالت پایه، پایین‌ترین پیکربندی انرژی موجود برای سیستم، اتم‌ها را می‌توان بدون از دست دادن سازماندهی اولیه خود به حالت بسیار هیجان‌انگیز آورد.
محققان این آرایش غیرمعمول را دریای فرمی کسری می‌نامند، زیرا به نظر می‌رسد ذرات آن از یک قانون اصلاح‌شده حاکم بر نحوه اشغال حالت‌های کوانتومی پیروی می‌کنند.
یی زنگ، نویسنده اصلی این مطالعه گفت: چرخه برهمکنش به جای گرم کردن ساده سیستم، اتم ها را به حالت چند جسمی جدید سازماندهی می کند. این به ما یک راه کنترل‌شده برای کاوش در ماده کوانتومی فراتر از پارادایم‌های تعادل معمول می‌دهد.»
حالت کوانتومی جدید عجیب با نظم پنهان
یکی از جالب‌ترین ویژگی‌های دریای جزئی فرمی این است که ذرات آن سازمان‌یافته باقی می‌مانند، حتی اگر سیستم از تعادل دور شده باشد.
در فیزیک، تعادل حالتی را توصیف می‌کند که در آن ویژگی‌های کلی یک سیستم در یک تعادل پایدار قرار گرفته‌اند. سیستم‌هایی که از تعادل دور هستند، می‌توانند به شیوه‌های پیچیده و غیرمنتظره‌ای رفتار کنند که درک آنها را به‌ویژه دشوار می‌کند.
با این حال دریای فرمی جزئی فقط مجموعه ای از ذرات برانگیخته نیست که خودسرانه رفتار می کنند. در عوض، شامل الگوهای ریاضی متمایز است که ساختار عمیق تری را نشان می دهد.
در میان این الگوها امواج متمایز به نام نوسانات فریدل وجود دارد. اینها تغییرات موج مانند هستند که مربوط به نحوه تأثیر ذرات کوانتومی بر یکدیگر است. محققان همچنین الگوهای غیرمعمولی را در چگونگی تضعیف همبستگی بین ذرات با افزایش فاصله، حتی زمانی که برهمکنشهای دافعه نسبتا ضعیف هستند، شناسایی کردند.
این امضاها مهم هستند زیرا با پیش‌بینی‌های مرتبط با نظریه مایع توموناگا-لوتینگر، چارچوبی قدیمی برای توصیف رفتار ذرات کوانتومی در حال تعامل در سیستم‌های یک‌بعدی، متفاوت هستند.
بنابراین، یافته‌ها به یک نوع رفتار کوانتومی که قبلاً کشف نشده بود اشاره می‌کند که نمی‌توان با استفاده از این تصویر نظری آشنا به طور کامل توصیف کرد.
هانس کریستوف ناگرل، رئیس این گروه می گوید: «این حالت بسیار هیجان زده است، اما تصادفی نیست. نظمی پنهان وجود دارد که در همبستگی های آن نمایان می شود».
این رفتار عجیب همچنین سؤالاتی را در مورد ذرات مؤثری که در سیستم ظاهر می شوند ایجاد می کند. فیزیکدانان این برانگیختگی‌های جمعی را شبه ذرات می‌نامند، زیرا می‌توانند مانند ذرات منفرد رفتار کنند، حتی اگر از حرکت هماهنگ بسیاری از ذرات متقابل ناشی شوند.
نگرل پیشنهاد می‌کند که اختلالات غیرمعمول ممکن است در نهایت شایسته یک نام خاص خود باشند.
“ما هنوز مطمئن نیستیم که باید این شبه ذرات جدید را چه بنامیم. شاید “superfermions”؟
گشودن مرز جدیدی در فیزیک کوانتومی
این کشف نشان می دهد که دریاهای فرمی کسری یک فاز بحرانی عجیب و غریب از ماده کوانتومی را با الگوهای مشخصه همبستگی ذرات نشان می دهد که فراتر از توصیفات موجود از سیستم های کوانتومی یک بعدی است.
همچنین قدرت رو به رشد شبیه‌سازی کوانتومی را نشان می‌دهد، تکنیکی که به دانشمندان اجازه می‌دهد از سیستم‌های کوانتومی با کنترل دقیق برای مطالعه رفتار فیزیکی استفاده کنند که در غیر این صورت بازتولید یا مطالعه آن دشوار بود.
اتم های فوق سرد به ویژه برای این منظور مفید هستند، زیرا محققان می توانند به طور دقیق برهمکنش های آنها را تنظیم کنند و نحوه تغییر حالت های کوانتومی حاصل را مشاهده کنند.
به جای محدود کردن این آزمایش‌ها به بازآفرینی پدیده‌هایی که قبلاً از طریق تئوری‌های تثبیت‌شده درک شده‌اند، اکنون دانشمندان می‌توانند حالت‌های ایجاد شده آگاهانه را که احتمالات کاملاً جدیدی را نشان می‌دهند، کاوش کنند.
همانطور که Hanns-Christoph Nägerl می گوید: “کشف دریاهای فرمی کسری نشان می دهد که ما تا چه حد می توانیم شبیه سازی کوانتومی را پیش ببریم: نه فقط بازتولید الگوهای شناخته شده، بلکه ایجاد و کاوش حالت هایی که فراتر از پارادایم های تثبیت شده است.”
این نشریه چارچوب نظری را برای دریاهای فرمی کسری ایجاد می کند. یک مطالعه همراه که تحقق تجربی آنها را از طریق شبیه‌سازی کوانتومی توصیف می‌کند، تحت بررسی همتایان است.
در مجموع، این تحقیق به راه‌های جدیدی برای بررسی رفتار بنیادی ماده کوانتومی اشاره می‌کند، از جمله برانگیختگی‌های جمعی غیرمعمول و اشکال پنهان نظم که تنها زمانی ظاهر می‌شوند که ذرات بسیار خارج از شرایط عادی خود رانده شوند.
