فیزیکدانان شکل جدید و عجیبی از رفتار کوانتومی را کشف کرده‌اند که در آن ذرات به روش‌هایی سازماندهی می‌شوند که نظریه‌های تثبیت‌شده را به چالش می‌کشند. حتی شگفت‌انگیزتر اینکه، ذرات علیرغم سوق داده شدن به یک حالت بسیار پرانرژی، یک نظم پنهان قابل توجه را حفظ می‌کنند.
در مطالعه‌ای که در Physical Review Letters منتشر شده است، پژوهشگران گروه به سرپرستی هانس-کریستوف ناگلر، با همکاری فیزیکدان نظری آلوئیس باستیانلو از مرکز ملی تحقیقات علمی فرانسه (CNRS) و دانشگاه پاریس-دوفین، نحوه مهندسی یک حالت کوانتومی غریب به نام «دریای فرمی کسری» را توصیف می‌کنند.
این پیشرفت شامل سوق دادن اتم‌های سزیوم فوق‌سرد به دورتر از شرایط عادی آن‌ها با تغییر مکرر شدت جاذبه یا دافعه متقابل آن‌ها است. به جای بی‌نظمی ساده، ذرات خود را در یک پیکربندی غیرعادی بازآرایی می‌کنند که رفتاری متفاوت از سیستم‌های کوانتومی سنتی مورد مطالعه دانشمندان دارد.
یافته‌های نظری، پایه‌ای برای تحقیقات تجربی اخیر انجام شده توسط تیم ناگلر در بخش فیزیک تجربی فراهم می‌کند.
سوق دادن ذرات کوانتومی به فراتر از محدودیت‌های عادی آن‌ها
در شرایط معمولی، ذرات کوانتومی از قوانین تثبیت‌شده‌ای پیروی می‌کنند که تعیین می‌کند چگونه سازماندهی شوند، به ویژه در دماهای بسیار پایین.
یکی از نمونه‌های مهم شامل فرمیون‌ها، دسته‌ای از ذرات که شامل الکترون‌ها نیز می‌شود، است. این ذرات نمی‌توانند همه در یک حالت کوانتومی قرار بگیرند، بنابراین سطوح انرژی موجود را طبق محدودیت‌های خاصی پر می‌کنند. در دماهای بسیار پایین، این آرایش چیزی را تولید می‌کند که فیزیکدانان آن را دریای فرمی می‌نامند.
اما چه اتفاقی می‌افتد وقتی محققان عمداً شرایطی را که معمولاً رفتار ذرات را کنترل می‌کنند، مختل می‌کنند؟
همانطور که آلوئیس باستیانلو توضیح می‌دهد: «فرمیون‌ها، برای مثال، به طور منظم در حالت‌های انرژی موجود انباشته می‌شوند تا آنچه "دریای فرمی" نامیده می‌شود را تشکیل دهند. اما اگر اتم‌های تعامل‌کننده را مجبور کنیم که به طور مداوم از طریق شرایط افراطی چرخش کنند و به آرامی از دافعه شدید متقابل به جاذبه شدید متقابل تغییر وضعیت دهند، چه اتفاقی می‌افتد؟»
برای بررسی این امکان، پژوهشگران اتم‌های سزیوم فوق‌سرد را که در یک سیستم یک‌بعدی محصور شده‌اند، مطالعه کردند. این بدان معناست که اتم‌ها محدود به حرکت در یک جهت هستند و محیطی ایجاد می‌کنند که در آن تعاملات کوانتومی آن‌ها با کنترل استثنایی قابل مطالعه است.
تیم بررسی کرد که چه اتفاقی می‌افتد وقتی تعاملات بین این اتم‌ها به طور مکرر تنظیم می‌شوند و بین دافعه و جاذبه قدرتمند چرخش می‌کنند.
محاسبات آن‌ها چیزی غیرمنتظره را آشکار کرد. شروع از حالت پایه، کمترین پیکربندی انرژی موجود برای سیستم، اتم‌ها می‌توانستند به یک حالت بسیار برانگیخته سوق داده شوند بدون اینکه سازماندهی زیربنایی خود را از دست بدهند.
پژوهشگران این آرایش غیرعادی را دریای فرمی کسری می‌نامند زیرا ذرات آن به نظر می‌رسد از قانون اصلاح‌شده‌ای حاکم بر اشغال حالت‌های کوانتومی پیروی می‌کنند.
«به جای گرم کردن ساده سیستم، چرخه تعامل اتم‌ها را به یک حالت چندجسمی جدید بازآرایی می‌کند»، می‌گوید یی زنگ، نویسنده اصلی این مطالعه. «این به ما راهی کنترل‌شده برای کاوش ماده کوانتومی فراتر از پارادایم‌های تعادلی معمولی می‌دهد.»
حالت کوانتومی جدید و عجیب با نظم پنهان
یکی از جذاب‌ترین ویژگی‌های دریای فرمی کسری این است که ذرات آن با وجود اینکه سیستم به دور از تعادل سوق داده شده است، همچنان سازماندهی می‌مانند.
در فیزیک، تعادل وضعیتی را توصیف می‌کند که در آن خواص کلی یک سیستم به تعادل پایدار رسیده است. سیستم‌هایی که به دور از تعادل سوق داده می‌شوند می‌توانند به روش‌های پیچیده و غیرمنتظره رفتار کنند که درک آن‌ها را به ویژه دشوار می‌سازد.
با این حال، دریای فرمی کسری صرفاً مجموعه‌ای از ذرات برانگیخته با رفتار تصادفی نیست. بلکه حاوی الگوهای ریاضی متمایزی است که ساختار عمیق‌تری را آشکار می‌کند.
در میان این الگوها، موج‌های برجسته‌ای به نام نوسانات فردل وجود دارند. این‌ها تغییرات موج‌مانندی مرتبط با نحوه تأثیرگذاری ذرات کوانتومی بر یکدیگر هستند. پژوهشگران همچنین الگوهای غیرعادی در نحوه تضعیف همبستگی بین ذرات با افزایش فاصله را شناسایی کردند، حتی زمانی که تعاملات دافعه نسبتاً ضعیف باشند.
این امضاها مهم هستند زیرا با پیش‌بینی‌های مرتبط با نظریه مایع توموناگا-لاتینگر، چارچوبی قدیمی و تثبیت‌شده برای توصیف رفتار ذرات کوانتومی تعامل‌کننده در سیستم‌های یک‌بعدی، متفاوت هستند.
بنابراین یافته‌ها به نوعی از رفتار کوانتومی ناشناخته قبلی اشاره دارند که نمی‌توان آن را کاملاً با استفاده از این تصویر نظری آشنا توصیف کرد.
«این حالت بسیار برانگیخته است، اما تصادفی نیست»، می‌گوید هانس-کریستوف ناگلر، سرپرست گروه. «نظم پنهانی دارد که در همبستگی‌هایش آشکار می‌شود.»
این رفتار عجیب همچنین سؤالاتی را درباره ذرات مؤثری که در داخل سیستم ظاهر می‌شوند، مطرح می‌کند. فیزیکدانان این تحریکات جمعی را شبه‌ذرات (quasiparticles) می‌نامند زیرا می‌توانند مانند ذرات منفرد رفتار کنند، هرچند از حرکت هماهنگ بسیاری از ذرات تعامل‌کننده سرچشمه می‌گیرند.
ناگلر پیشنهاد می‌کند که تحریکات غیرعادی ممکن است در نهایت شایسته نامی مستقل باشند.
«هنوز مطمئن نیستیم که باید این شبه‌ذرات جدید را چگونه نام‌گذاری کنیم. شاید "سوپر-فرمیون‌ها"؟»
گشایش مرز جدیدی در فیزیک کوانتوم
این کشف نشان می‌دهد که دریاهای فرمی کسری نماینده یک فاز بحرانی غریب از ماده کوانتومی هستند، با الگوهای مشخص همبستگی ذرات که فراتر از توصیف‌های موجود سیستم‌های کوانتومی یک‌بعدی گسترش می‌یابد.
همچنین قدرت رو به رشد شبیه‌سازی کوانتومی را نشان می‌دهد، تکنیکی که به دانشمندان اجازه می‌دهد از سیستم‌های کوانتومی کنترل‌شده دقیق برای بررسی رفتار فیزیکی که در غیر این صورت بازتولید یا مطالعه آن دشوار است، استفاده کنند.
اتم‌های فوق‌سرد به دلیل اینکه پژوهشگران می‌توانند تعاملات آن‌ها را به دقت تنظیم کنند و تغییرات حالت‌های کوانتومی حاصل را مشاهده نمایند، برای این منظور به ویژه مفید هستند.
به جای محدود کردن این آزمایش‌ها به بازتولید پدیده‌هایی که از قبل از طریق نظریه‌های تثبیت‌شده درک شده‌اند، دانشمندان اکنون می‌توانند حالت‌های مهندسی‌شده عمدی را کاوش کنند که امکانات کاملاً جدیدی را آشکار می‌سازند.
همانطور که هانس-کریستوف ناگلر می‌گوید: «کشف دریاهای فرمی کسری نشان می‌دهد که ما تا چه حد می‌توانیم شبیه‌سازی کوانتومی را پیش ببریم: نه تنها بازتولید مدل‌های شناخته‌شده، بلکه ایجاد و کاوش حالت‌هایی که فراتر از پارادایم‌های تثبیت‌شده هستند.»
انتشار فعلی چارچوب نظری دریاهای فرمی کسری را تأسیس می‌کند. مطالعه‌ای همراه که تحقق تجربی آن‌ها را از طریق شبیه‌سازی کوانتومی توصیف می‌کند، در حال داوری همتا است.
این تحقیقات در کنار هم، به روش‌های جدیدی برای بررسی رفتار بنیادین ماده کوانتومی، شامل تحریکات جمعی غیرعادی و اشکال پنهان نظم که تنها زمانی ظاهر می‌شوند که ذرات به شدت خارج از شرایط عادی خود سوق داده شوند، اشاره دارند.