مشاهده گردابه‌های کوانتومی: کشفی جدید در فیزیک اَبَرجامد

خلاصه خبر:

محققین دانشگاه اینسبروک اتریش به دستاوردی جدید در فیزیک کوانتوم دست یافته‌اند؛ ایجاد و مشاهده گردابه‌ها در یک اَبَرجامد (Supersolid). ابرجامدها، که حالت نادری از ماده‌اند، ویژگی‌های جامد و ابرشاره را همزمان در خود دارند. این تیم تحقیقاتی با چرخاندن یک گاز کوانتومی دوقطبی و فوق سرد، موفق به مشاهده گردابه‌های کوانتومی شد که نشانه‌ای از ابرشارگی در یک ساختار بلوری است. این دستاورد، درک جدیدی از هیدرودینامیک سیستم‌های کوانتومی ارائه می‌دهد و می‌تواند راه را برای مطالعات بیشتر در زمینه‌های مختلف از فیزیک ماده چگال گرفته تا اخترفیزیک باز کند. این پدیده می‌تواند به درک بهتر حالات عجیب ماده کمک کند و حتی شاید توضیحاتی برای رفتارهای خاصی در ستارگان نوترونی فراهم کند.

توضیحات تکمیلی:

فیزیکدانان دانشگاه اینسبروک به کشف شگفت‌انگیزی دست یافته‌اند: مشاهده گردابه‌های کوانتومی در یک ابرجامد. ابر‌جامدها حالتی شگفت‌انگیز از ماده هستند که در آن هم ساختار کریستالی (حالت جامد) و هم ویژگی‌های جریان بدون اصطکاک (حالت ابرشاره) مشاهده می‌شود. این ترکیب بی‌نظیر از حالت جامد و ابرشارگی، دانشمندان را از دهه‌ها پیش مجذوب خود کرده است. با اینکه نظریه وجود ابر‌جامدها بیش از پنجاه سال پیش ارائه شد، مشاهده مستقیم یکی از شاخصه‌های کلیدی ابرشارگی، یعنی گردابه‌های کوانتومی، تاکنون محقق نشده بود. این کشف بزرگ تیم اینسبروک را در زمره پیشگامان مطالعه‌ی حالات جدید ماده در مکانیک کوانتومی قرار می‌دهد.

تیم تحقیقاتی به سرپرستی دکتر فرانچسکا فرلاینو (Francesca Ferlaino)، با استفاده از اتم‌های دوقطبی فوق سرد و اعمال میدان‌های مغناطیسی دقیق، موفق به ایجاد و مشاهده گردابه‌های کوانتومی در حالت ابرجامد شدند. چالش اصلی در این آزمایش، چرخاندن ابرجامد بدون از بین بردن حالت شکننده آن بود. آنها با دقت فراوان موفق شدند این تعادل حساس را حفظ کرده و با استفاده از تکنیک‌های دقیق، گردابه‌های کوانتومی را در داخل ابرجامد ایجاد کنند. این گردابه‌ها که نشان از جریان ابرشارگی دارند، فرصتی منحصر به فرد برای مطالعه ویژگی‌های ابرجامدها فراهم می‌کنند. این دستاورد هم از نظر تئوری و هم از نظر تجربی، درک عمیق‌تری از رفتارهای کوانتومی این حالت‌های عجیب ماده را میسر می‌سازد.

این کشف پیامدهایی فراتر از آزمایشگاه دارد و می‌تواند به درک بهتر فیزیک ماده‌ چگال و حتی اخترفیزیک کمک کند. فرض بر این است که در ستاره‌های نوترونی، که در آن مواد تحت شرایط فشار شدید به حالتی غیرقابل توصیف در فیزیک کلاسیک درمی‌آیند، ممکن است ساختار ابرجامد وجود داشته باشد. این ستاره‌های متراکم و به شدت چرخان، گاهی دچار تغییرات ناگهانی در سرعت چرخش خود می‌شوند که دانشمندان احتمال می‌دهند ناشی از گیر افتادن گردابه‌های کوانتومی در بخش‌های داخلی آنها باشد. دستاورد جدید دانشگاه اینسبروک ابزاری ارزشمند برای مطالعه این پدیده‌ها فراهم می‌کند و به دانشمندان این امکان را می‌دهد که شرایط ستاره‌های نوترونی را شبیه‌سازی و بررسی کنند.

این یافته‌ها همچنین با تحقیقات در زمینه‌ ابررساناهای دمای بالا مرتبط است. شناخت نحوه هم‌زیستی ویژگی‌های ابرشاره و جامد در ابرجامدها می‌تواند به درک رفتار ابررساناها کمک کند. با مطالعه‌ی نحوه شکل‌گیری و تعامل گردابه‌های کوانتومی در ساختار شبکه‌ای ابرجامدها، دانشمندان می‌توانند به اطلاعات ارزشمندی دست یابند که ممکن است بر طراحی مواد ابررسانا تأثیر بگذارد و کاربردهایی از جمله در انتقال انرژی و رایانش کوانتومی به همراه داشته باشد.

تیم اینسبروک در ادامه تحقیقات خود قصد دارد پویایی این  گردابه‌ها را بیشتر بررسی کند و به تحلیل دقیق‌تر چگونگی شکل‌گیری، جابه‌جایی و ناپدید شدن آنها در ابرجامد بپردازد. این می‌تواند اطلاعات مهمی درباره‌ نحوه هم‌زیستی ویژگی‌های متناقض کوانتومی در یک ماده واحد ارائه دهد. این پژوهش رابطه عمیق میان فیزیک بنیادین و کاربردهای آن در علوم مختلف را برجسته می‌کند. با شبیه‌سازی و بررسی پدیده‌های کوانتومی در آزمایشگاه، دانشمندانی چون فرلاینو در حال کشف «قوانین بازی» هستند که بر جهان ما حکم‌فرماست، چه در ابعاد زیراتمی و چه در بقایای عظیم ستاره‌های نوترونی.

منبع

[1]  https://www.nature.com/articles/s41586-024-08149-7

[2]  https://phys.org/news/2024-11-quantum-vortices-superfluidity-supersolid.html

[3]  https://www.quantamagazine.org/physicists-spot-quantum-tornadoes-twirling-in-a-supersolid-20241106/