به گزارش مدیاتی:شکوه علم در اوج خود! دانشمندان برای نخستین بار در تاریخ بشریت موفق به مشاهده مستقیم پدیده نادر و اسرارآمیز “باران کوانتومی” شدهاند. این کشف خارقالعاده که مرزهای فیزیک مدرن را جابجا میکند، پنجرهای جدید به سوی درک رفتارهای عجیب ذرات در مقیاس کوانتومی گشوده است.
تیمهای تحقیقاتی با استفاده از پیشرفتهترین فناوریهای رصد کوانتومی، موفق به ثبت این پدیده شدهاند که تا پیش از این تنها در نظریهها و معادلات فیزیکدانان مطرح بود. “باران کوانتومی” که به انتقال غیرمعمول انرژی بین سطوح کوانتومی اطلاق میشود، میتواند کلیدی برای حل بسیاری از معماهای فیزیک مدرن باشد.
شکست مرزهای فیزیک: دانشمندان برای اولین بار پدیده نادر ‘باران کوانتومی’ را مشاهده کردند
گروهی از محققان اروپایی موفق به مشاهده پدیدهای شگفتانگیز شدهاند: تشکیل خودکار قطرات در یک گاز کوانتومی فوق رقیق، که این فرآیند تحت تأثیر نیروهایی مشابه با اثرات کشش سطحی موجود در مایعات کلاسیک به وقوع میپیوندد. این یافته، مرزهای دانش ما در زمینه رفتار ماده در شرایط کوانتومی را گسترش میدهد.
نکته قابل توجه این است که پدیده کشش سطحی، که عموماً به مایعات معمولی نسبت داده میشود، در این تحقیق نشان داده است که میتواند گازهای اتمی فوق سرد را نیز به قطرات کوانتومی تبدیل کند. این امر یک پدیده کاملاً نادر و غیرمنتظره است، زیرا گازهای کوانتومی معمولاً میلیونها بار چگالی کمتری نسبت به مایعات دارند و به طور معمول فاقد نیروی کشش سطحی لازم برای حفظ انسجام قطرات هستند. تشکیل این قطرات کوانتومی به وضوح نشان میدهد که در چنین چگالیهای بسیار پایین، رفتارهای غیرعادی و غیرمنتظرهای در ماده رخ میدهد که نیازمند بررسی و درک عمیقتری است.
این یافتههای بدیع و مهم، میتوانند مسیر را برای ابداع روشهای نوین و کارآمد در زمینه کنترل و دستکاری دقیق ماده کوانتومی هموار سازند. علاوه بر این، این کشف میتواند به تسریع فرآیند توسعه مواد جدید با خواص کوانتومی منحصربهفرد و همچنین فناوریهای کوانتومی پیشرفته کمک شایانی نماید.
برای درک بهتر اهمیت این مشاهدات، لازم است ابتدا با سه مفهوم مرتبط آشنا شویم. نخستین مفهوم، کشش سطحی است. کشش سطحی عبارت است از نیروی همبستگی موجود در سطح یک مایع که مولکولهای آن را به سمت یکدیگر میکشد. این پدیده زمانی رخ میدهد که مولکولهای واقع در سطح مایع، در مقایسه با مولکولهای موجود در لایههای زیرین و هوای بالای سطح، به شدت بیشتری به یکدیگر جذب میشوند. در نتیجه این نیروی جاذبه، مایع تمایل پیدا میکند تا اشکالی مانند قطرات به خود بگیرد تا سطح تماس خود با محیط اطراف را به حداقل برساند. پدیدههایی نظیر تشکیل قطرات شبنم، حبابهای صابون و قطرات باران، همگی ناشی از اثر کشش سطحی هستند.
در برخی موارد، کشش سطحی میتواند منجر به پدیدهای به نام ناپایداری مویرگی شود. این ناپایداری به اختلال در ستونهای مایع اشاره دارد که در نهایت آنها را وادار میکند تا به قطرات مجزا تقسیم شوند و به این ترتیب، انرژی سطح سیستم کاهش یابد. شکل شناختهشدهای از ناپایداری مویرگی، ناپایداری پلاتو-ریلی (Plateau-Rayleigh instability) است. این مفهوم که در سال ۱۸۷۳ مطرح شد، چگونگی ناپایدار شدن یک جریان استوانهای از مایع به دلیل کشش سطحی و تقسیم آن به قطرات را توضیح میدهد. این پدیده معمولاً در جریانهای آب قابل مشاهده است که هنگام سقوط از یک ارتفاع، به قطرات مجزا تبدیل میشوند. یک مثال روزمره از این پدیده، جریان باریک آبی است که از یک شیر آب جاری شده و در حین پایین آمدن، به قطرات ریز تبدیل میشود.
هر سه پدیده مذکور – کشش سطحی، ناپایداری مویرگی و ناپایداری پلاتو-ریلی – معمولاً در مایعات کلاسیک مشاهده میشوند. اما در این مطالعه اخیر، نویسندگان وقوع این پدیدهها را در یک مخلوط فوق سرد از اتمهای پتاسیم و روبیدیم نشان دادهاند. به احتمال زیاد، این نخستین بار است که یک گاز اتمی چنین رفتاری از خود نشان میدهد و قطرات منسجم تشکیل میدهد.
محققان در این پژوهش مشاهده کردند که هنگامی که یک گاز کوانتومی فوق رقیق، متشکل از مخلوط اتمهای پتاسیم و روبیدیم، به دمایی بسیار نزدیک به صفر مطلق میرسد، در حالی که همچنان در فاز گازی باقی میماند، خواصی شبیه به مایعات از خود بروز میدهد و یک قطره کوانتومی منفرد را تشکیل میدهد. سپس این قطره در یک مسیر از پیش تعیینشده که توسط لیزر ایجاد شده بود، قرار داده شد و در آنجا به شکل یک خط نازک کشیده شد. این قطره کوانتومی طویلشده، هنگامی که طول آن از یک مقدار بحرانی فراتر رفت، دچار ناپایداری شد و به قطرات کوچکتری تقسیم گردید.
نویسندگان این مطالعه با استفاده از شبیهسازیهای عددی دقیق و انجام آزمایشهای متعدد، این فرآیند را با جزئیات فراوان مورد بررسی قرار دادند و متوجه نوعی ناپایداری مویرگی در عمل شدند. آنها دریافتند که شکستهشدن قطره به روشی بسیار شبیه به «ناپایداری پلاتو-ریلی» در مایعات کلاسیک رخ داده است.
خانم کیارا فورت (Chiara Fort)، یکی از نویسندگان این مقاله و فیزیکدان دانشگاه فلورانس، در این باره میگوید: «در حالی که پدیده ناپایداری پلاتو-ریلی در مایعات کلاسیک به خوبی شناخته شده است و حتی در هلیوم ابرسیال نیز مشاهده شده است، پیش از این هرگز در گازهای اتمی مشاهده نشده بود. این کشف، درک ما از رفتار گازهای کوانتومی را به طور قابل توجهی گسترش میدهد.»
محققان بر این باورند که اندازهگیریهای انجامشده توسط آنها نه تنها شناخت ما از این فاز مایع غیرمعمول را عمیقتر میکند، بلکه پتانسیل ایجاد آرایههایی از قطرات کوانتومی را نیز نشان میدهد که میتواند در فناوریهای آینده، به ویژه در ساخت حسگرهای کوانتومی پیشرفته و شبیهسازهای کوانتومی کارآمد، بسیار مفید واقع شود.
نتایج این مطالعه پیشگامانه در مجله معتبر Physical Review Letters به چاپ رسیده است و توجه جامعه علمی را به خود جلب کرده است. این کشف، نمونهای برجسته از چگونگی ظهور رفتارهای غیرمنتظره و جذاب در مرزهای فیزیک کوانتوم و ماده چگال است.
