به گزارش خبرنگار فناوری اتاق تجارت ،  برای نخستین بار، دانشمندان موفق به مشاهده پدیده‌ای شگفت‌انگیز در قلمرو مکانیک کوانتومی شده‌اند: تشکیل خود به خودی قطرات در یک گاز کوانتومی فوق رقیق، رفتاری که پیش از این تنها در مایعات کلاسیک و تحت تاثیر نیروی کشش سطحی شناخته شده بود. این کشف غیرمنتظره، که می‌توان آن را به نوعی «باران کوانتومی» تشبیه کرد، در شرایطی رخ می‌دهد که چگالی گاز میلیون‌ ها بار کمتر از مایعات معمولی است و انتظار وجود چنین نیروی منسجمی نمی‌رود. این پدیده نادر، دریچه‌ای نو به درک رفتار ماده در سطوح کوانتومی باز می‌کند و می‌تواند زمینه‌ ساز پیشرفت‌ های بنیادین در فناوری‌ های نوین باشد.

شگفتی در دنیای کوانتوم: مشاهده قطرات مایع در گاز های فوق سرد

دانشمندان اروپایی به تازگی شاهد پدیده ای شگفت انگیز در دنیای فیزیک کوانتوم بوده اند: شکل گیری خود به خودی قطرات کوچک در دل یک گاز کوانتومی که چگالی بسیار پایینی دارد. نکته جالب توجه این است که نیرویی شبیه به کشش سطحی، که معمولا در مایعات معمولی مانند آب دیده می شود، عامل اصلی ایجاد این قطرات کوانتومی است. این کشف از آن جهت اهمیت دارد که گاز های کوانتومی میلیون ها بار رقیق تر از مایعات هستند و انتظار نمی رود که کشش سطحی لازم برای حفظ ساختار قطره ای شکل را داشته باشند.

کشش سطحی، نیرویی که مولکول های سطح یک مایع را کنار هم نگه می دارد، دیگر تنها ویژگی مایعات کلاسیک نیست. تحقیقات جدید نشان می دهد که این نیرو می تواند گاز های اتمی بسیار سرد را نیز وادار به تشکیل ساختار هایی شبیه به قطره کند. این پدیده بسیار نادر تلقی می شود، زیرا همانطور که اشاره شد، گاز های کوانتومی به طور ذاتی چگالی فوق العاده پایینی دارند و فاقد نیروی چسبندگی سطحی قوی هستند که برای تشکیل و پایداری قطرات ضروری است. مشاهده این قطرات کوانتومی نشان می دهد که در این چگالی های بسیار کم، اتفاقات فیزیکی بسیار غیر منتظره ای در حال رخ دادن است که درک ما از حالت های ماده را به چالش می کشد.

این یافته های نوین می تواند پیامد های گسترده ای داشته باشد. درک بهتر این پدیده ممکن است به توسعه روش های جدیدی برای کنترل و دستکاری دقیق ماده در مقیاس کوانتومی منجر شود. علاوه بر این، این دانش می تواند در طراحی و ساخت مواد پیشرفته جدید با خواص منحصر به فرد و همچنین در توسعه نسل بعدی فناوری های کوانتومی، مانند کامپیوتر های کوانتومی و حسگر های فوق دقیق، نقش کلیدی ایفا کند.

 کشش سطحی و ناپایداری مویرگی

برای درک بهتر اهمیت این کشف، لازم است با چند مفهوم اساسی در فیزیک سیالات آشنا شویم. اولین مفهوم، کشش سطحی است. کشش سطحی نیرویی است که در سطح مشترک یک مایع و یک فاز دیگر (معمولا گاز) عمل می کند و باعث می شود مولکول های سطح مایع به سمت یکدیگر کشیده شوند. دلیل این پدیده، جاذبه قوی تر مولکول های مایع به یکدیگر در مقایسه با جاذبه آن ها به مولکول های گاز بالای سطح است. در نتیجه این نیروی منسجم، مایع تمایل دارد سطح خود را به کمترین مقدار ممکن برساند و به همین دلیل شکل های کروی یا قطره ای به خود می گیرد. تشکیل قطرات شبنم روی برگ گیاهان، پایداری حباب های صابون و شکل گیری قطرات باران، همگی نمونه هایی از اثرات کشش سطحی در زندگی روزمره هستند.

مفهوم دوم، ناپایداری مویرگی است. در برخی شرایط، کشش سطحی می تواند منجر به پدیده ای به نام ناپایداری مویرگی شود. این پدیده به اختلالاتی اشاره دارد که در ستون ها یا جریان های باریک مایع رخ می دهد و در نهایت باعث می شود آن ها به قطرات جداگانه تقسیم شوند. این تقسیم شدن به قطرات کوچکتر، انرژی سطحی کل سیستم را کاهش می دهد و به پایداری بیشتر منجر می شود.

یک شکل خاص و شناخته شده از ناپایداری مویرگی، ناپایداری پلاتو-ریلی (Plateau-Rayleigh) نام دارد. این نظریه که در سال ۱۸۷۳ توسط جوزف پلاتو و لرد ریلی ارائه شد، توضیح می دهد که چگونه یک جریان استوانه ای شکل از مایع، به دلیل اثرات کشش سطحی، ناپایدار می شود و به طور طبیعی به قطرات مجزا می شکند. این پدیده به وفور در طبیعت و اطراف ما قابل مشاهده است. به عنوان مثال، جریان باریک آبی که از شیر آب خارج می شود، هنگام سقوط و طی مسیر به سمت پایین، به دلیل همین ناپایداری به قطرات کوچکتر تبدیل می شود.

تا پیش از این مطالعه، تصور می شد که پدیده های کشش سطحی، ناپایداری مویرگی و ناپایداری پلاتو-ریلی عمدتا در مایعات کلاسیک رخ می دهند. اما محققان این پژوهش نشان دادند که این پدیده ها می توانند در شرایط بسیار خاصی در یک مخلوط گازی فوق سرد از اتم های پتاسیم و روبیدیم نیز اتفاق بیفتند. این نخستین بار است که چنین رفتار شبیه به مایعی در یک گاز اتمی با چگالی بسیار پایین مشاهده می شود و درک سنتی ما از فاز های ماده را گسترش می دهد.

جزئیات آزمایش و مشاهده ناپایداری در گاز کوانتومی

در این مطالعه پیشگامانه، دانشمندان یک گاز کوانتومی بسیار رقیق، متشکل از مخلوطی از اتم های پتاسیم (K) و روبیدیم (Rb)، را تا دما های بسیار پایین، نزدیک به صفر مطلق (حدود ۲۷۳- درجه سانتیگراد)، سرد کردند. در این دمای فوق العاده پایین، آن ها مشاهده کردند که اگرچه ماده همچنان در فاز گازی باقی می ماند، اما به طرز شگفت انگیزی شروع به نشان دادن خواص شبه مایع کرد و به صورت یک قطره کوانتومی واحد و منسجم درآمد.

در مرحله بعد، محققان این قطره کوانتومی منحصر به فرد را با استفاده از پرتو های لیزر در یک مسیر مشخص به دام انداختند. سپس با تنظیم دقیق لیزر ها، این قطره را در طول مسیر کشیدند و آن را به شکل یک خط یا رشته نازک درآوردند. مشاهده کلیدی زمانی رخ داد که طول این رشته کوانتومی از یک مقدار بحرانی خاص فراتر رفت. در این نقطه، رشته کوانتومی کشیده شده ناپایدار شد و به طور خود به خود به چندین قطره کوچکتر و مجزا تقسیم گردید.

محققان با بهره گیری از شبیه سازی های کامپیوتری دقیق و انجام آزمایش های متعدد، این فرآیند شکستن قطره کوانتومی را با جزئیات کامل مورد مطالعه قرار دادند. آن ها دریافتند که این فرآیند در واقع نوعی ناپایداری مویرگی است که در این سیستم کوانتومی رخ می دهد. تحلیل های بیشتر نشان داد که نحوه شکستن این رشته گازی کوانتومی به قطرات کوچکتر، شباهت قابل توجهی با مکانیزم ناپایداری پلاتو-ریلی دارد که پیش از این تنها در مایعات کلاسیک و هلیوم ابر سیال (حالت خاصی از هلیوم در دما های بسیار پایین) مشاهده شده بود.

کیارا فورت، یکی از فیزیکدانان دانشگاه فلورانس و از نویسندگان اصلی این مقاله، در این باره می گوید: “پدیده ناپایداری پلاتو-ریلی در مایعات معمولی مانند آب به خوبی شناخته شده و حتی در هلیوم ابر سیال نیز دیده شده است. با این حال، مشاهده این پدیده در یک گاز اتمی فوق سرد، امری کاملا جدید و بی سابقه است.”

اهمیت و چشم انداز آینده و مشاهده «باران کوانتومی»

این پژوهش نه تنها درک ما را از این فاز مایع مانند غیر معمول در گاز های کوانتومی عمیق تر می کند، بلکه دریچه های جدیدی را به سوی کاربرد های فناورانه آینده می گشاید. محققان معتقدند که اندازه گیری ها و مشاهدات آن ها پتانسیل ایجاد آرایه های منظم و کنترل شده ای از قطرات کوانتومی را نشان می دهد. چنین آرایه هایی می توانند به عنوان بلوک های سازنده در توسعه فناوری های نوظهور کوانتومی، مانند حسگر های کوانتومی بسیار حساس برای اندازه گیری دقیق میدان های مغناطیسی یا گرانشی، و همچنین شبیه ساز های کوانتومی برای مطالعه سیستم های پیچیده فیزیکی که شبیه سازی آن ها با کامپیوتر های کلاسیک دشوار یا غیر ممکن است، مورد استفاده قرار گیرند.

این مطالعه که جزئیات آن در مجله معتبر “Physical Review Letters” منتشر شده است، نمونه ای برجسته از پیشرفت های هیجان انگیز در مرز های دانش فیزیک ماده چگال و فیزیک اتمی است و نشان می دهد که دنیای کوانتوم همچنان پر از شگفتی های کشف نشده است.

منبع : زوم تک