کشف احتمالی یک حالت عجیب از ماده
پژوهشگران دانشگاه موناش استرالیا در یک مطالعه نظری پیشبینی کردهاند که دو نوع متفاوت از ذرات کوانتومی یعنی بوزونها و فرمیونها در شرایط مناسب میتوانند با یکدیگر ترکیب شده و ساختاری پایدار از ماده به نام قطرات کوانتومی ایجاد کنند، حالتی از ماده که به گفته پژوهشگران امکان بررسی تجربی آن با استفاده از آزمایشهای موجود اتمهای فوقسرد وجود دارد.
به گزارش گروه ترجمه خبرگزاری برنا به نقل از تک کرانچ، بوزونها و فرمیونها از نظر قوانین بنیادی مکانیک کوانتومی رفتارهای متفاوتی دارند. با این حال یافتههای نظری جدید نشان میدهد که مخلوطی از این دو نوع ذره در صورت وجود برهمکنشهای قوی میتواند به شکل یک ساختار مقید و پایدار باقی بماند.
این پیشبینی با انتظارهای پیشین درباره سامانههای برهمکنشی بوزون-فرمیون در تضاد است. پیش از این تصور میشد ایجاد قطرات پایدار در چنین سامانههایی بهویژه زمانی که برهمکنش میان ذرات بسیار قوی باشد دشوار خواهد بود.
تعادل میان جاذبه و فشار کوانتومی
قطره کوانتومی از نظر نحوه پایدار ماندن با یک قطره مایع معمولی تفاوت دارد. در این سامانه جاذبه میان ذرات موجب نزدیک شدن و مقید شدن آنها به یکدیگر میشود اما این جاذبه به فروپاشی کل سامانه منجر نمیشود زیرا فشار کوانتومی ایجادشده توسط فرمیونها در برابر این جاذبه مقاومت میکند.
در نتیجه میان نیروهای جاذبه و فشار کوانتومی تعادلی برقرار میشود که میتواند یک ساختار خودبسته و پایدار ایجاد کند، ساختاری که بدون نیاز به محصور شدن توسط یک محیط خارجی، انسجام خود را حفظ میکند.
سم فاستر پژوهشگر دکتری و نویسنده اصلی این مطالعه از دانشکده فیزیک و نجوم دانشگاه موناش با اشاره به رفتار غیرمعمول سامانههای کوانتومی گفت این یافته امکان بررسی حالتهایی از ماده را فراهم میکند که تاکنون کمتر مورد مطالعه قرار گرفتهاند.
او توضیح داد: سامانههای کوانتومی میتوانند به شیوههایی رفتار کنند که در دنیای روزمره غیرممکن به نظر میرسند. ما نشان دادهایم که این دو نوع بسیار متفاوت از ذرات میتوانند به شکلی متعادل یکدیگر را خنثی کنند و قطرهای پایدار بسازند که عملا خودش را کنار هم نگه میدارد.
عبور از محدودیت نظریههای پیشین
یکی از جنبههای مهم این پژوهش ارائه یک چارچوب نظری جدید برای بررسی سامانههای بوزون فرمیون با برهمکنشهای قوی است.
به گفته فاستر نظریههای پیشین عمدتا زمانی قادر به توصیف این سامانهها بودند که برهمکنش میان ذرات نسبتا ضعیف باشد؛ در حالی که با افزایش شدت برهمکنشها رفتار کوانتومی سامانه پیچیدهتر میشود.
او گفت: نظریههای قبلی تنها زمانی میتوانستند این سامانهها را توصیف کنند که ذرات برهمکنش نسبتا ضعیفی با یکدیگر داشته باشند. رویکرد جدید ما امکان بررسی شرایطی را فراهم میکند که این برهمکنشها بسیار قویتر میشوند؛ جایی که جالبترین پدیدههای فیزیکی ظاهر میشوند.
امکان آزمایش این پیشبینی با فناوریهای موجود
محاسبات انجامشده در این مطالعه نشان میدهد که ایجاد چنین قطرات کوانتومی لزوما به فناوری آزمایشگاهی کاملا جدید نیاز ندارد. پژوهشگران معتقدند آزمایشهای موجود مبتنی بر اتمهای فوقسرد میتوانند شرایط لازم برای تشکیل این ساختارها را فراهم کنند.
اتمهای فوقسرد یکی از ابزارهای مهم در مطالعه پدیدههای کوانتومی هستند، زیرا با کاهش شدید دما، حرکت حرارتی اتمها محدود میشود و امکان مشاهده و کنترل دقیقتر رفتارهای کوانتومی فراهم میشود.
از این رو آزمایش تجربی این پیشبینی میتواند یکی از گامهای بعدی پژوهشگران باشد و مشخص کند آیا قطرات کوانتومی پیشبینیشده در عمل نیز شکل میگیرند یا خیر.
نشانههایی از گذار میان مایع و گاز
پژوهشگران علاوه بر پیشبینی تشکیل قطرات کوانتومی پایدار نشانههایی از رفتاری کوانتومی مشابه گذار میان حالت مایع و گاز نیز مشاهده کردهاند.
این یافته میتواند نشان دهد که سامانههای بوزون فرمیون مورد بررسی تنها به تشکیل یک نوع قطره کوانتومی محدود نمیشوند و ممکن است بتوانند مجموعه گستردهتر و پیچیدهتری از فازهای کوانتومی ماده را ایجاد کنند.
به این ترتیب مطالعه جدید میتواند مسیر تحقیقات آینده درباره نحوه سازمانیافتگی ماده در شرایط شدید کوانتومی و چگونگی تغییر ویژگیهای آن در اثر تغییر شدت برهمکنش میان ذرات را هموار کند.
فاستر در اینباره گفت: درک نحوه سازمانیافتگی ماده تحت شرایط شدید کوانتومی ابزارهای جدیدی برای طراحی و کنترل سامانههای کوانتومی در اختیار ما قرار میدهد. اگرچه این پژوهش در حوزه تحقیقات بنیادی قرار دارد، چنین کشفهایی اغلب میتوانند پایهای برای فناوریهای کوانتومی آینده باشند.
پژوهشگران دانشگاه موناش بر این اساس امیدوارند پیشبینی نظری آنها در آزمایشهای اتمهای فوقسرد مورد بررسی قرار گیرد. در صورت تأیید تجربی این یافته میتواند شناخت فیزیکدانان از رفتار مخلوطهای بوزون فرمیون و فازهای جدید ماده را گسترش دهد و اطلاعات تازهای درباره رفتار ماده در شرایط شدید کوانتومی ارائه کند.
انتهای پیام/
