تلاطم عجیب «اولتراکوانتومی» برای اولین بار مشاهده می شود

گرداب ها می توانند در سیالات کوانتومی رخ دهند

نوعی تلاطم که فقط در قلمرو کوانتومی وجود دارد برای اولین بار به طور مستقیم مشاهده شده است. این تلاطم «اولتراکوانتومی» ممکن است نمایانگر آنچه در بسیاری از محیط‌های عجیب و غریب از هلیوم مایع گرفته تا ستاره‌های نوترونی رخ می‌دهد باشد.

آشفتگی به جریان‌های آشفته و نامنظم در مایع یا گازی اشاره دارد که مختل می‌شود، مانند نسخه‌های سرکش از گرداب‌هایی که با هم زدن یک فنجان چای ایجاد می‌کنید. بسیاری از سیالاتی که ما روزانه با آنها روبرو می شویم این گونه رفتار می کنند، اما سیالات و گازها در قلمرو کوانتومی از قوانین کاملا متفاوتی پیروی می کنند. وقتی آشفته می شوند و متلاطم می شوند، تا حد زیادی بی حرکت می مانند، اما قبل از اینکه به حالت تعادل برسند، با گرداب های نازک، درهم و ریسمانی مانند جمع می شوند.

سباستین موریس از دانشگاه کمبریج و همکارانش برای مشاهده این تلاطم اولتراکوانتومی شروع به کار با هزاران اتم پتاسیم کردند که با لیزر و میدان های الکترومغناطیسی بسیار نزدیک به صفر مطلق - سردترین دمای ممکن - سرد شده بودند. این باعث شد اتم ها مانند یک گاز کوانتومی بسیار رقیق رفتار کنند.

با همین ابزار، محققان اتم ها را به شکل استوانه ای به اندازه چند ده میکرومتر جمع کردند. با کنترل برهمکنش اتم ها با یکدیگر و انرژی آنها، آنها همچنین می توانند اختلالی ایجاد کنند که باعث ایجاد تلاطم و گرداب می شود.

تصویربرداری از کل استوانه می‌توانست گره‌ها را پنهان کند، بنابراین موریس و همکارانش از ورقه‌ای از نور لیزر برای جداسازی و تصویربرداری فقط یک برش از آن استفاده کردند.

او می‌گوید: «به محض اینکه اولین عکس‌ها را گرفتم، احساس کردم این همان عکس است. شما می‌توانید این سوراخ‌ها، این ردپای خطوط گرداب را هنگام پیچیدگی در داخل و خارج از این برش مقطع تصویر شده مشاهده کنید.»

محققان تصاویر زیادی تهیه کردند و توزیع گرداب ها را در حین درهم پیچیده شدن، از هم پاشیدگی، اتصال به حلقه ها یا حرکت به لبه استوانه مورد مطالعه قرار دادند، و ردیابی کردند که چگونه سیال کوانتومی کمتر و کمتر متلاطم و بی نظم می شود. به طرز جالبی، آنها دریافتند که این فرآیند بسیار شبیه به آنچه قبلا در هلیوم مایع مشاهده شده بود، که یک سیال کوانتومی است، اما بسیار چگال تر است و اتم های آن برهمکنش قوی تری دارند، مشاهده شده بود.

یکی از اعضای تیم کریستوف ایگن در دانشگاه کمبریج می‌گوید نحوه فرم‌های سفارش برای این دو سیستم مشابه است، اما هیچ چیز دیگری اینطور نیست. زوران هادزیبابیچ، که او نیز در دانشگاه کمبریج است و روی این آزمایش کار کرده است، می‌گوید: این نمونه‌ای از یک رفتار جهانی برای یک کلاس کامل از سیستم‌های کوانتومی است، رفتاری که باید در سایر تنظیمات حتی متفاوت‌تر نشان داده شود.

توماس گازنزر از دانشگاه هایدلبرگ آلمان می‌گوید مدل‌های ریاضی برای تلاطم اولتراکوانتومی برای دهه‌ها وجود داشته است، اما معمولا تصویربرداری از گرداب‌ها، به‌ویژه در مجموعه‌ای سه‌بعدی از اتم‌ها، بسیار دشوار است. او می گوید که کار جدید از مدل ها با شواهد تجربی دقیق و پیچیده پشتیبانی می کند.

Davide Proment از دانشگاه East Anglia در بریتانیا می گوید که اندازه گیری جدید خارق العاده است و از تحقیقات گذشته در مورد تلاطم اولتراکوانتومی پیشی می گیرد. او می‌گوید آزمایش‌های آینده با هدف تصویربرداری از چندین برش از اتم‌ها به طور همزمان می‌تواند جزئیات بیشتری از رفتار گرداب‌ها را نشان دهد - و تیم موریس نیز به این ایده علاقه‌مند است.

Gasenzer می‌گوید به دلیل جهانی بودن این فرآیند، آزمایش‌های آینده می‌توانند آشفتگی اولتراکوانتومی را در فاصله‌ای دور از آزمایشگاه روشن کنند. «پیشنهاد شده است که همان نوع دینامیک [تلاطم] اتفاق بیفتد، به عنوان مثال، در هاله ماده تاریک یک ستاره نوترونی، بنابراین شاید باید در مورد موارد قابل مشاهده ای فکر کرد که می توان بین این دو مقایسه کرد.»