تسجل الملاحظات الجديدة تقاطعًا رئيسيًا من السلوك الكلاسيكي إلى السلوك الكمي.  — علم يوميا

العالم الذي نختبره محكوم بالفيزياء الكلاسيكية. يتم تحديد كيفية تحركنا ، وأين نحن ، ومدى سرعتنا جميعًا من خلال الافتراض الكلاسيكي بأنه لا يمكننا الوجود إلا في مكان واحد في أي لحظة من الزمن.

لكن في عالم الكم ، يخضع سلوك الذرات الفردية لمبدأ غريب مفاده أن موقع الجسيم هو احتمال. الذرة ، على سبيل المثال ، لديها فرصة معينة للتواجد في مكان واحد وفرصة أخرى للتواجد في موقع آخر ، في نفس الوقت بالضبط.

عندما تتفاعل الجسيمات ، كنتيجة بحتة لهذه التأثيرات الكمومية ، ينبغي أن يترتب على ذلك مجموعة من الظواهر الغريبة. لكن مراقبة مثل هذا السلوك الميكانيكي الكمي البحت للجسيمات المتفاعلة وسط الضوضاء الهائلة للعالم الكلاسيكي هي مهمة صعبة.

الآن ، لاحظ علماء الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بشكل مباشر تفاعل التفاعلات وميكانيكا الكم في حالة معينة من المادة: سائل غزل من الذرات شديدة البرودة. توقع الباحثون أنه في السائل الدوار ، ستهيمن التفاعلات وتدفع الجسيمات لإظهار سلوكيات غريبة لم يسبق لها مثيل.

في دراسة نشرت اليوم في طبيعة سجية، قام فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بتدوير سائل كمي سريع الذرات شديدة البرودة. لقد شاهدوا سحابة الذرات المستديرة في البداية تتشوه في البداية إلى بنية رفيعة تشبه الإبرة. بعد ذلك ، عند النقطة التي يجب فيها قمع التأثيرات الكلاسيكية ، تاركًا التفاعلات وقوانين الكم فقط للسيطرة على سلوك الذرات ، اقتحمت الإبرة تلقائيًا نمطًا بلوريًا يشبه سلسلة من الأعاصير الكمومية المصغرة.

يقول ريتشارد فليتشر ، الأستاذ المساعد للفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “هذا التبلور مدفوع تمامًا بالتفاعلات ، ويخبرنا أننا ننتقل من العالم الكلاسيكي إلى عالم الكم”.

النتائج هي أول توثيق مباشر في الموقع لتطور غاز كمي سريع الدوران. يقول Martin Zwierlein ، أستاذ الفيزياء Thomas A. Frank في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، إن تطور الذرات الدوارة يشبه إلى حد كبير كيفية دوران الأرض في أنماط الطقس على نطاق واسع.

يلاحظ زويرلاين أن “تأثير كوريوليس الذي يفسر تأثير دوران الأرض مشابه لقوة لورينتز التي تشرح كيف تتصرف الجسيمات المشحونة في المجال المغناطيسي”. “حتى في الفيزياء الكلاسيكية ، يؤدي هذا إلى تكوين أنماط مثيرة للاهتمام ، مثل التفاف السحب حول الأرض في حركات لولبية جميلة. والآن يمكننا دراسة هذا في العالم الكمي.”

ومن بين المؤلفين المشاركين في الدراسة بيسواروب موخيرجي ، وآيرليا شافر ، وبارث بي باتيل ، وزينجي يان ، وسيدريك ويلسون ، وفالنتين كريبيل ، وجميعهم منتسبون إلى مركز إم آي تي-هارفارد للذرات فائقة البرودة ومختبر أبحاث معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا للإلكترونيات.

غزل الوقفات

في الثمانينيات ، بدأ الفيزيائيون في ملاحظة عائلة جديدة من المادة تعرف باسم موائع القاعة الكمية ، والتي تتكون من سحب من الإلكترونات تطفو في الحقول المغناطيسية. فبدلاً من صد بعضها البعض وتشكيل بلورة ، كما تتوقع الفيزياء الكلاسيكية ، قامت الجسيمات بتعديل سلوكها وفقًا لما يفعله جيرانها ، بطريقة كمومية مترابطة.

يقول فليتشر: “اكتشف الناس جميع أنواع الخصائص المدهشة ، والسبب هو ، في المجال المغناطيسي ، تجميد الإلكترونات (كلاسيكيًا) في مكانها – تم إيقاف تشغيل كل طاقتها الحركية ، وما تبقى هو تفاعلات بحتة”. “وهكذا ، ظهر هذا العالم كله. ولكن كان من الصعب للغاية ملاحظته وفهمه”.

على وجه الخصوص ، تتحرك الإلكترونات في المجال المغناطيسي بحركات صغيرة جدًا يصعب رؤيتها. توصل زويرلين وزملاؤه إلى أنه نظرًا لأن حركة الذرات أثناء الدوران تحدث بمقاييس أطوال أكبر بكثير ، فقد يكونون قادرين على استخدام ذرات شديدة البرودة كوحدات احتياطية للإلكترونات ، ويكونون قادرين على مشاهدة فيزياء متطابقة.

يقول زويرلين: “اعتقدنا ، دعونا نجعل هذه الذرات الباردة تتصرف كما لو كانت إلكترونات في مجال مغناطيسي ، لكن يمكننا التحكم بدقة”. “ثم يمكننا تصور ما تفعله الذرات الفردية ، ومعرفة ما إذا كانت تخضع لنفس فيزياء ميكانيكا الكم.”

الطقس في دائرة

في دراستهم الجديدة ، استخدم الفيزيائيون الليزر لاحتجاز سحابة من حوالي مليون ذرة صوديوم ، وتبريد الذرات إلى درجات حرارة تبلغ حوالي 100 نانوكلفن. ثم استخدموا نظامًا من المغنطيسات الكهربائية لتوليد مصيدة لحصر الذرات ، وقاموا بشكل جماعي بتدوير الذرات حولها ، مثل الكرات في وعاء ، بمعدل 100 دورة في الثانية.

قام الفريق بتصوير السحابة بكاميرا ، والتقط منظورًا مشابهًا لطفل عند مواجهته نحو المركز في دائري في الملعب. بعد حوالي 100 مللي ثانية ، لاحظ الباحثون أن الذرات تدور في بنية طويلة تشبه الإبرة ، والتي وصلت إلى رقة كمومية حرجة.

يقول Zwierlein: “في السائل الكلاسيكي ، مثل دخان السجائر ، سوف يستمر في النحافة”. “ولكن في العالم الكمي ، يصل السائل إلى حد لمدى رقيقته”.

يضيف فليتشر ، الذي نشر مع Zwierlein النتائج حتى هذه النقطة في تقرير سابق: “عندما رأينا أنها وصلت إلى هذا الحد ، كان لدينا سبب وجيه للاعتقاد بأننا نطرق باب فيزياء الكم المثيرة للاهتمام” علم ورق. “ثم كان السؤال ، ماذا سيفعل هذا السائل الرقيق الإبرة تحت تأثير الدوران والتفاعلات البحتة؟”

في ورقتهم البحثية الجديدة ، اتخذ الفريق خطوة حاسمة إلى الأمام ، ليروا كيف سيتطور السائل الذي يشبه الإبرة. مع استمرار السائل في الدوران ، لاحظوا أن عدم الاستقرار الكمي بدأ في الظهور: بدأت الإبرة في التذبذب ، ثم المفتاح اللولبي ، وأخيراً اقتحمت سلسلة من النقط الدوارة ، أو الأعاصير المصغرة – بلورة كمومية ، ناشئة تمامًا عن التفاعل لدوران الغاز والقوى بين الذرات.

يوضح زويرلين: “يرتبط هذا التطور بفكرة كيف يمكن لفراشة في الصين أن تخلق عاصفة هنا ، بسبب عدم الاستقرار الذي أدى إلى حدوث اضطراب”. “هنا ، لدينا طقس كمي: السائل ، فقط من عدم استقراره الكمومي ، يتفتت إلى هذا التركيب البلوري للسحب والدوامات الأصغر. وإنه لمن اختراق أن نكون قادرين على رؤية هذه التأثيرات الكمومية مباشرة.”

تم دعم هذا البحث ، جزئيًا ، من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم ، ومكتب القوات الجوية للبحوث العلمية ، ومكتب البحوث البحرية ، وزمالة كلية فانيفار بوش ، و DARPA.

التعليقات

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *