مرز‌های فیزیک کوانتومی با الهام از نقاشی شب پرستاره جابه‌جا شد!

به گزارش مجله خبری نگار/برنا،دانشمندان برای نخستین بار آشفتگی کوانتومی را مشاهده کردند و ساختار‌های تازه‌ای به شکل هلال ماه کشف کردند که شبیه به نقاشی شب پرستاره اثر وینسنت ونگوگ است.

به گزارش interesting engineering اسحاق آسیموف، نویسنده مشهور آمریکایی زمانی گفته بود: در علم هنری وجود دارد و در هنر علمی نهفته است. مطالعه تازه‌ای این سخن را به‌خوبی اثبات کرده است و ارتباط بی‌سابقه‌ای میان شاهکار هنری ونگوگ و دنیای فیزیک کوانتومی را نشان داده است.

موضوع اصلی این تحقیق، ناپایداری کلوین-هلمهولتز (Kelvin–Helmholtz Instability یا KHI) است؛ پدیده‌ای که در دنیای روزمره هنگامی رخ می‌دهد که دو سیال با سرعت‌های متفاوت بر یکدیگر ساییده می‌شوند و باعث ایجاد امواج و پیچ‌وتاب‌هایی در ابر‌ها رودخانه‌ها یا سطح دریا می‌شود.

هیرو میتسو تاکئوچی، نویسنده ارشد و استاد دانشگاه اوساکا درباره شروع این پژوهش گفت: سؤال اولیه ما این بود که آیا ناپایداری کلوین-هلمهولتز می‌تواند در سیالات کوانتومی هم رخ دهد.

تا پیش از این هیچ‌کس قادر به مشاهده این پدیده در سیالات کوانتومی نبود، اما در این مطالعه، پژوهشگران نه تنها این ناپایداری را برای نخستین بار ثبت کردند بلکه گردابه‌هایی به شکل هلال ماه کشف کردند که به آنها اسکیرمیون‌های کسری اگزنتریک (Eccentric Fractional Skyrmions یا EFSs) گفته می‌شود و شباهت عجیبی به ماه روشن در گوشه بالایی نقاشی شب پرستاره دارند.

اسکیرمیون‌ها معمولاً ساختاری متقارن و متمرکز دارند، اما این نوع جدید به شکل هلالی و دارای نقاط تکینگی تعبیه شده هستند که ساختار چرخشی معمول را مختل می‌کنند و انحرافات شدیدی ایجاد می‌کنند.

تاکئوچی افزود: به نظر من ماه بزرگ هلالی در گوشه بالایی راست نقاشی دقیقاً همان EFS است.

بازآفرینی آشفتگی در جهان کوانتومی

در سیالات معمولی ناپایداری کلوین-هلمهولتز زمانی دیده می‌شود که اختلاف سرعت قابل‌توجهی بین دو جریان وجود داشته باشد، مانند امواج دریا یا خطوط ابر‌ها در آسمان.

اما بازسازی این پدیده در سیالات کوانتومی به هیچ‌وجه ساده نیست. سیالات کوانتومی مانند چگالش بوز-اینشتین یا ابرسیالات بر اساس قوانین مکانیک کوانتومی عمل می‌کنند و فاقد ویسکوزیته هستند؛ خواصی که ساختار آنها به حالت‌های حساس کوانتومی وابسته است و ایجاد و کنترل آنها بسیار دشوار است.

پژوهشگران با سرمایش گازی از اتم‌های لیتیم به دمایی بسیار نزدیک به صفر مطلق آن را به یک چگالش بوز-اینشتین چند جزئی تبدیل کردند، حالتی که در آن اتم‌ها مانند یک موج کوانتومی هماهنگ رفتار می‌کنند.

این چگالش را به گونه‌ای تنظیم کردند که دو بخش همپوشان داشته باشد و این دو بخش با سرعت‌های متفاوت از کنار هم عبور کنند. در مرز بین این دو جریان الگو‌های موجی شبیه مراحل اولیه ناپایداری کلاسیک کلوین-هلمهولتز شکل گرفت.

اما آنچه پس از آن رخ داد کاملاً نوآورانه بود. در جهان کوانتومی این ناپایداری تنها موج‌های نرم ایجاد نکرد بلکه گردابه‌هایی با ساختار ویژه کوانتومی شکل داد که همان اسکیرمیون‌های کسری اگزنتریک بودند؛ نوع جدیدی از نقص‌های توپولوژیکی.

برخلاف اسکیرمیون‌های متقارن موجود در مواد مغناطیسی این اسکیرمیون‌ها هلالی شکل و جابه‌جا شده بودند و دارای نقاط تکینگی بودند که الگوی چرخش معمولی را به‌شدت مختل می‌کردند.

پژوهشگران در مقاله خود نوشتند: این اسکیرمیون‌ها ناشی از شکست تقارن غیرعادی مرتبط با تکینگی چرخشی اگزنتریک هستند و نصف بار بنیادی الکترون را حمل می‌کنند؛ ویژگی‌ای که آنها را از اسکیرمیون‌ها و مرون‌های معمولی متمایز می‌سازد.

نوع جدیدی از ساختار کوانتومی

اسکیرمیون‌ها پیش‌تر به دلیل کاربرد‌های بالقوه‌شان در حوزه اسپین‌ترونیکس مورد توجه بودند؛ زمینه‌ای نوظهور که هدف آن ساخت دستگاه‌های ذخیره‌سازی و پردازش داده سریع‌تر و کارآمدتر با کنترل اسپین ذرات به جای جریان الکتریکی است.

کشف نوعی کاملاً جدید از اسکیرمیون در سیالات کوانتومی می‌تواند راه‌های تازه‌ای برای خلق و کنترل این ساختار‌ها پیش روی دانشمندان بگذارد.

همچنین این یافته‌ها پرسش‌های نظری تازه‌ای مطرح کرده است. به عنوان مثال اسکیرمیون‌های کسری اگزنتریک در طبقه‌بندی‌های توپولوژیکی موجود جای نمی‌گیرند که نشان‌دهنده ناکامل بودن درک ما از این ساختار‌های کوانتومی است.

پژوهشگران در مقاله خود تأکید کردند: نتایج ما جهانی بودن ناپایداری کلوین-هلمهولتز کلاسیک و کوانتومی را تأیید کرده و درک ما از دینامیک غیرخطی پیچیده در سیستم‌های توپولوژیکی کوانتومی را گسترش می‌دهد.

اکنون محققان قصد دارند آزمایش‌های دقیق‌تری انجام دهند که امکان بررسی پیش‌بینی‌های بیش از یک قرن پیش درباره طول موج‌ها و فرکانس‌های امواج کلوین-هلمهولتز را فراهم می‌کند. آنها همچنین به دنبال مشاهده گردابه‌های مشابه در سیستم‌های کوانتومی چندجزئی یا چندبعدی هستند.

به بیان ساده کشفی که با الهام از یک اثر هنری قرن نوزدهم آغاز شد ممکن است بخش‌هایی از فیزیک قرن بیست و یکم را دگرگون کند.