تكشف تجربة على ذرات فائقة البرودة أن النظام الكمي القوي لا يسخن دائمًا كما هو متوقع.

في الحياة اليومية، يؤدي العمل على شيء ما مرارًا وتكرارًا إلى جعله أكثر دفئًا. يمكنك أن تشعر بذلك عندما تفرك يديك معًا، ويمكنك رؤيته عندما يسخن المعدن تحت ضربات المطرقة المتكررة.

وحتى بدون معادلات رسمية، فإن التجربة تعلمنا نفس الدرس: إذا واصلت دفع نظام ما، أو تحريكه، أو ضغطه، أو ضربه، فإن درجة حرارته تميل إلى الارتفاع. ويتوقع الفيزيائيون عمومًا نتيجة مماثلة في عالم الكم. عندما يتم تشغيل نظام متعدد الجسيمات بشكل متكرر، خاصة عندما تتفاعل الجزيئات بقوة مع بعضها البعض، فإنه يجب أن يستهلك الطاقة ويسخن تدريجياً.

لكن هل تسري هذه القاعدة دائمًا، خاصة فيما يتعلق بالمادة الكمومية؟ تشير تجربة حديثة أجرتها مجموعة هانز كريستوف ناجيرل في قسم الفيزياء التجريبية بجامعة إنسبروك إلى أن الإجابة هي لا.

موضعية في مساحة الزخم

في الدراسة، قام الفريق بإعداد سائل كمي أحادي البعد مصنوع من ذرات متفاعلة بقوة، وتم تبريده إلى درجة حرارة قليلة من النانوكلفن فقط. الصفر المطلق. ثم قاموا بعد ذلك بتعريض الذرات إلى إمكانات شبكية تعمل في رشقات نارية سريعة ومنتظمة، وهو مشهد طبيعي تم إنشاؤه باستخدام ضوء الليزر. في ظل هذا النوع من القيادة الثابتة، من المتوقع عادةً أن تمتص الذرات الطاقة معًا بمرور الوقت، على غرار الطريقة التي قد يتصادم بها طفلان على الترامبولين بسبب القفز المتكرر لطفل واحد.

ومع ذلك، لاحظ الفريق شيئًا مختلفًا. وبعد فترة وجيزة من التطور الأولي، توقف توزيع زخم الذرات عن الانتشار، واستقرت الطاقة الحركية للنظام. على الرغم من تعرضه للركل المستمر والتفاعل بقوة، إلا أن النظام لم يعد يمتص الطاقة. لقد تم توطينها في مساحة الزخم، وهي ظاهرة ملحوظة تسمى التوطين الديناميكي للعديد من الأجسام (MBDL).

يوضح هانز كريستوف ناغرل: “في هذه الحالة، يمنع التماسك الكمي والتشابك بين العديد من الأجسام النظام من التسخين الحراري ومن إظهار السلوك المنتشر، حتى في ظل القيادة الخارجية المستمرة”. “إن توزيع الزخم يتجمد بشكل أساسي ويحتفظ بأي هيكل له.”

الاستقرار متجذر في ميكانيكا الكم

ولا يزال يانليانج جو، المؤلف الرئيسي للدراسة، في حيرة: “كنا نتوقع في البداية أن الذرات ستبدأ في التحليق في كل مكان. وبدلاً من ذلك، تصرفت بطريقة منظمة بشكل مذهل”.

ويوافقه الرأي لي ينج، وهو أحد المشاركين النظريين من جامعة زيجينغ في هانجتشو بالصين، قائلًا: “هذا لا يتوافق مع توقعاتنا الساذجة. ما يلفت النظر هو حقيقة أنه في نظام مدفوع بقوة ومتفاعل بقوة، من الواضح أن تماسك العديد من الأجسام يمكن أن يوقف امتصاص الطاقة. وهذا يتعارض مع حدسنا الكلاسيكي ويكشف عن استقرار ملحوظ متأصل في ميكانيكا الكم”.

ويضيف يينغ أن محاكاة مثل هذا النظام الذي يبدو بسيطًا على جهاز كمبيوتر كلاسيكي يعد مهمة شاقة. “لهذا السبب نحتاج إلى التجارب. فهي تسير جنبًا إلى جنب مع عمليات المحاكاة النظرية لدينا.”

التماسك الكمي أمر بالغ الأهمية

ولاختبار مدى هشاشة ظاهرة MBDL، أدخل الباحثون العشوائية في تسلسل القيادة. في الواقع، كان قدر صغير من الاضطراب كافيًا بالفعل لتدمير تأثير التوطين واستعادة الانتشار: فقد تم تشويه توزيع الزخم، وارتفعت الطاقة الحركية بشكل حاد، وامتص النظام الطاقة بشكل مستمر.

يقول هانز كريستوف ناجيرل: “لقد سلط هذا الاختبار الضوء على أن التماسك الكمومي أمر بالغ الأهمية لمنع التسخين الحراري في مثل هذه الأنظمة متعددة الأجسام”.

إن النتائج التي توصلت إليها MBDL ليست ذات أهمية أساسية فقط. إن فهم كيفية تجنب الأنظمة الكمومية للحرارة هو خطوة أساسية على الطريق نحو بناء أجهزة كمومية أفضل، بما في ذلك أجهزة المحاكاة الكمومية وأجهزة الكمبيوتر، والتي يمثل التسخين وفك الترابط غير المتحكم فيهما عقبات رئيسية أمامها.

يقول جو: “توفر هذه التجربة طريقة دقيقة وقابلة للضبط بدرجة كبيرة لاستكشاف كيف يمكن للأنظمة الكمومية مقاومة سحب الفوضى”. تفتح النتائج نافذة جديدة على فيزياء المادة الكمومية، وتتحدى الافتراضات القائمة منذ فترة طويلة.

يانيلانج جو، سينجلينج تشين، زيكاي تشين، زيكاي، لي، لانجوني وهانسترون، علوم.
دوى: 10.1126/science.adn8625

تم دعم البحث ماليًا من قبل صندوق العلوم النمساوي FWF، والوكالة النمساوية لتعزيز البحوث FFG، والاتحاد الأوروبي، من بين جهات أخرى.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.