Οι φυσικοί παρατηρούν τη μετάβαση φάσης στο σύννεφο κβαντικών σωματιδίων
Είναι γνωστό ότι ο κβαντικός κόσμος είναι περίεργος. Οι περισσότερες ειδήσεις σχετικά με την κβαντική μηχανική αποτελούνται από κάποια νέα μελέτη που δείχνει πώς κάποιο κβαντικό φαινόμενο συμπεριφέρεται εντελώς σε αντίθεση με τα συνηθισμένα μακροσκοπικά φαινόμενα. Επομένως, είναι ελαφρώς ειρωνικό το γεγονός ότι μια νέα μελέτη κάνει τον γύρο όπου η γραμμή διάτρησης είναι ορισμένα κβαντικά συστήματα που παρουσιάζουν παρόμοια συμπεριφορά με τα μακροσκοπικά συστήματα σωματιδίων.
Σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Nature, μια ομάδα φυσικών από το Imperial College του Λονδίνου αναφέρει ότι παρατήρησε μια μετάβαση φάσης στην κατάσταση ενός συμπυκνώματος Bose-Einstein που αποτελείται από λιγότερα από 10 υπερψυγμένα φωτόνια. Καθώς προστέθηκαν μεμονωμένα φωτόνια στο συμπύκνωμα, η συνοχή μεταξύ των μεμονωμένων φωτονίων θα αυξανόταν, μέχρι να φτάσει σε ένα κρίσιμο σημείο περίπου 7 φωτονίων στο οποίο η συνοχή θα άρχιζε να μειώνεται γρήγορα σε σχέση με τον αυξανόμενο πληθυσμό φωτονίων. Τέτοιες μεταβάσεις φάσης—απότομες, μη γραμμικές αλλαγές στη συμπεριφορά και τη δυναμική ενός συστήματος, είναι κοινές σε μακροσκοπικά αντικείμενα με μεγάλα σύνολα σωματιδίων.
Η ανακάλυψη ότι τέτοιες αλλαγές συμβαίνουν επίσης σε κβαντικά συστήματα με πολύ λίγα σωματίδια θα επιτρέψει στους φυσικούς να διερευνήσουν καλύτερα τις κβαντικές ιδιότητες της ύλης, του φωτός και τις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των δύο. «Με τον καλύτερο από δύο διαφορετικούς κόσμους—τη φυσική των μεταβάσεων φάσης και την προσβασιμότητα μικρών συστημάτων—αυτή η ασυνήθιστη πηγή φωτός έχει πιθανές εφαρμογές στη μέτρηση ή την αίσθηση». Ο κύριος συν-συγγραφέας Δρ Florian Mintert είπε στο phys.org.
Μεταπτώσεις φάσεων και συμπυκνώματα Bose-Einstein
Οι περισσότερες ουσίες που μελετήθηκαν από επιστήμονες αποτελούνται από μια απίστευτα μεγάλη ποσότητα σωματιδίων. Αυτοί οι αριθμοί είναι τόσο μεγάλοι που γενικά κάνουν μικρή διαφορά στις μακροσκοπικές συμπεριφορικές ιδιότητες του συστήματος—τόσο μια σταγόνα όσο και ένας κουβάς γεμάτος νερό βράζουν στους 100 βαθμούς Κελσίου και παγώνουν στους 0 βαθμούς Κελσίου. Αυτές οι αλλαγές στην κατάσταση ονομάζονται μεταβάσεις φάσης, οι πιο συνηθισμένες από τις οποίες είναι η μετάβαση της ύλης από στερεά σε υγρά σε αέρια, αλλά υπάρχουν πιο εξωτικές καταστάσεις ύλης και μεταβάσεις φάσης.
Με απλούστερους όρους, μια μετάβαση φάσης συμβαίνει όταν ένα σύστημα χτυπά μια συγκεκριμένη «κρίσιμη τιμή» όπου αναδύεται γρήγορα νέα συμπεριφορά. Τα διδάγματα από τα φαινόμενα των μεταπτώσεων φάσης στη χημεία έχουν βρει εφαρμογές στην εξελικτική θεωρία παιγνίων, στα χρηματιστήρια, ακόμη και στην κυκλοφοριακή συμφόρηση. Σε μακροσκοπικά συστήματα όπου μεγάλοι αριθμοί σωματιδίων φαίνεται να δρουν ταυτόχρονα, προκαλώντας την απότομη και μη γραμμική αλλαγή. Αυτές οι μεταβάσεις φάσης συμβαίνουν σε συστήματα με μεγάλο αριθμό σωματιδίων όπου φαίνεται ότι όλα τα σωματίδια ενεργούν ταυτόχρονα για να δημιουργήσουν μια μεγάλης κλίμακας αλλαγή στη συμπεριφορά.
Τα περισσότερα κβαντικά συστήματα που μελετήθηκαν από φυσικούς, αντίθετα, αποτελούνται μόνο από μια χούφτα σωματίδια. Οπότε προκύπτει φυσικά το ερώτημα, ισχύουν οι ίδιοι κανόνες μετάβασης φάσης για την κβαντική σφαίρα; Για να καταλάβουν, η ομάδα χρησιμοποίησε ένα σύστημα μικροχρωστικών και κατόπτρων για να δημιουργήσει ένα υπερψυγμένο συμπύκνωμα Bose-Einstein (BEC) από λιγότερα από 10 φωτόνια. Ένα BEC σχηματίζεται όταν τα υπερψυγμένα σωματίδια αρχίζουν να καταλαμβάνουν τη χαμηλότερη κβαντική κατάσταση.
Σε αυτά τα επίπεδα, τα κβαντικά φαινόμενα όπως η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου γίνονται πολύ εμφανή μεταξύ ομάδων κβαντικών και το σύνολο των σωματιδίων αρχίζει να συμπεριφέρεται σαν ένα μοναδικό «υπεράτομο». Τα BEC είναι εμφανώς δύσκολο να παραχθούν και να συγκρατηθούν, αλλά οι μοναδικές τους ιδιότητες τα καθιστούν ιδανικά θέματα για έρευνα σε κβαντικά σύνολα.
Προηγούμενες εργασίες για το θέμα που αφορούσαν τα BEC χρησιμοποιούσαν BEC που αποτελούνταν από σύνολα χιλιάδων κβαντικών σωματιδίων. Αυτή η τρέχουσα μελέτη είναι μοναδική στο ότι η ομάδα πέτυχε συμπύκνωση BEC με μόνο 7 φωτόνια, τον μικρότερο αριθμό που καταγράφηκε. Ο προηγούμενος μικρότερος αριθμός που καταγράφηκε ήταν 70 φωτόνια, που πέτυχε μια γερμανική ομάδα επιστημόνων το 2014.
Χρησιμοποιώντας τη διάταξη των κατόπτρων της, η ομάδα πρόσθεσε σιγά-σιγά φωτόνια μαζί σε ένα σύνολο. Παρατήρησαν ότι αρχικά, καθώς προστέθηκαν περισσότερα φωτόνια, η συνοχή των σωματιδίων αυξήθηκε. Μόλις το σύστημα έφτασε στα περίπου 7 σωματίδια, αυτό το σχέδιο έσπασε και η συνοχή άρχισε να μειώνεται καθώς προστέθηκαν περισσότερα σωματίδια. Σύμφωνα με τους ερευνητές, αυτό το σημείο αντιπροσώπευε μια «συμπύκνωση» του BEC, μια μετάβαση φάσης. Αν και η μετάβαση δεν ήταν τόσο απότομη όσο αυτές που παρατηρούνται στα μακροσκοπικά συστήματα, παρόλα αυτά συνέβη σε ένα προβλέψιμο και αξιόπιστο σημείο, μιμούμενο τη συμπεριφορά φάσης των μακροσκοπικών συστημάτων.
Η ομάδα θεωρεί ότι όταν ο αριθμός των φωτονίων φτάσει στο κρίσιμο σημείο περίπου 7±2, κάποιος μηχανισμός πυροδοτεί μια ξαφνική μείωση της συνοχής στα φωτόνια στη μικροκοιλότητα. Σύμφωνα με τη μελέτη, «σε ένα πολυτροπικό συμπύκνωμα, τα φωτόνια σε έναν συμπυκνωμένο τρόπο θα μπορούσαν να λειτουργήσουν ως δεξαμενές διεγέρσεων για άλλους τρόπους λειτουργίας, ενισχύοντας τις διακυμάνσεις του αριθμού και ως εκ τούτου μειώνοντας τις συσχετίσεις φάσεων». Η γενική ιδέα φαίνεται να είναι ότι σε ένα ορισμένο σημείο, η ανάδραση μεταξύ των σωματιδίων ανατρέπει την τρέχουσα σταθερή διαμόρφωση, οδηγώντας σε μειωμένη συνοχή. Οι συγγραφείς προβλέπουν ότι όταν ο αριθμός των φωτονίων κλιμακωθεί κατάλληλα, το αποτέλεσμα θα ήταν μη κλασικές καταστάσεις φωτός που δεν μπορούν να περιγραφούν με την κλασική ηλεκτρομαγνητική θεωρία.
Τι σημαίνει λοιπόν αυτό για εμάς; Λοιπόν, γνωρίζοντας πώς συμπεριφέρονται τα σωματίδια σε τόσο μικρές κλίμακες, μας δίνει περισσότερο χώρο για να τα χειριστούμε για να κάνουμε αυτό που θέλουμε. Το νέο πεδίο του κβαντικού υπολογισμού βασίζεται σε εξαιρετικά ακριβείς κβαντικές αλληλεπιδράσεις για τον υπολογισμό των πραγμάτων και η ύπαρξη ακριβέστερων μοντέλων κβαντικών αλληλεπιδράσεων θα προωθήσει αυτόν τον στόχο. Επιπλέον, η επέκταση της έννοιας της μετάβασης φάσης στο κβαντικό βασίλειο ανοίγει δρόμους για έρευνα. Σύμφωνα με τον Robert Nyman, επικεφαλής συγγραφέα της μελέτης, «Τώρα που επιβεβαιώθηκε ότι η «μετάβαση φάσης» εξακολουθεί να είναι μια χρήσιμη έννοια σε τόσο μικρά συστήματα, μπορούμε να εξερευνήσουμε ιδιότητες με τρόπους που δεν θα ήταν δυνατοί σε μεγαλύτερα συστήματα».
