کشف نظم نهان در دنیای کوانتومی_صبح سریع

 دنیای فیزیک کوانتومی مدام مملو از شگفتی‌ها و رفتارهای فراتر از فهمیدن کلاسیک ما بوده است؛ جایی که ذرات به روشهایی تعامل می‌کنند که قوانین فضا و زمان را به چالش می‌کشد، در این بین نقاط بحرانی کوانتومی بدون محدودیت (Deconfined Quantum Critical Points یا به اختصار DQCPs)، یکی از اسرارآمیزترین اتفاق‌ها محسوب خواهد شد. به تازگی، پژوهشی مشترک به سرپرستی پروفسور زی یانگ مِنگ از دانشگاه هنگ‌کنگ و دانشجوی دکتری‌اش منگهان سانگ، در همکاری با دانشگاه‌های معتبر جهان، پرده از برخی رازهای این نقاط بحرانی برداشته است.

DQCP چیست؟

در زندگی روزمره، با گذارهای فازی آشنا هستیم؛ همچون تبدیل آب به یخ یا بخار که به واسطه تحول دما رخ می‌دهد. اما در مقیاس کوانتومی، گذارهای فازی در دمای صفر مطلق و تحت تأثیر نوسانات کوانتومی اتفاق می‌افتند.

در حالت معمول، نقاط بحرانی کوانتومی مرزی بین یک فاز منظم (symmetry-broken) و یک فاز نامنظم راه اندازی خواهند داد؛ همان چیزی که در قالب نظریه لاندائو به خوبی شرح داده شده است. اما DQCPها این الگو را می‌شکنند: آن‌ها بین دو فاز منظم متفاوت قرار دارند که هر کدام الگوی تقارن‌شکنی منحصر به فرد خود را دارند. این گذار غیرمعمول از یک نظم به نظم دیگر، چالشی جدی برای نظریه‌های کلاسیک به حساب می اید، در این پژوهش، تیم علمی از ابزار قدرتمندی به نام آنتروپی درهم‌تنیدگی (Entanglement Entropy) منفعت بردند. این شاخص به اندازه‌گیری مقدار اطلاعات مشترک بین قسمت‌های گوناگون یک سیستم کوانتومی می‌پردازد و به دانشمندان امکان می‌دهد تا ساختار نهان سیستم‌های کوانتومی را بازدید کنند.

با منفعت گیری از همانند‌سازی‌های پیشرفته مونته کارلو کوانتومی و تحلیل‌های نظری دقیق، محققان حرکت آنتروپی درهم‌تنیدگی را در مدل‌های SU(N) شبکه مربعی (square-lattice SU(N) spin models) مورد مطالعه قرار دادند؛ مدلی که جوهره حرکت DQCPها را به عکس می‌کشد.

یافته‌ای شگفت‌انگیز

نتایج نشان داد که برای مقادیر کوچک N، حرکت آنتروپی درهم‌تنیدگی با انتظارات نظری مربوط به گذارهای فازی مدام سازگار نیست. در عوض، الگوهای لگاریتمی غیرمعمول مشاهده شد که مرزهای نظریه‌های مرسوم را به چالش می‌کشد، اما با اهمیت ترین کشف وقتی رقم خورد که N از یک اغاز بحرانی فراتر رفت. در این حالت، DQCPها رفتارهایی منطبق با نقاط ثابت همریختی (Conformal Fixed Points) از خود نشان دادند؛ مفهومی که توصیف‌کننده گذارهای فازی نرم و مدام است.

این کشف می‌تواند پیامدهای گسترده‌ای برای علم و فناوری به همراه داشته باشد:

ماده‌های حالت شگفت: DQCPها با فازهای کوانتومی شگفت همچون مایعات اسپینی کوانتومی (Quantum Spin Liquids) مرتبط می باشند؛ موادی که در حوزه‌هایی چون رایانش کوانتومی پتانسیل بالایی دارندبازنگری در فیزیک بنیادی: با به چالش کشیدن پارادایم لاندائو، این نتایج امکان پذیر به تدوین نظریه‌های تازه برای توضیح گذارهای فازی در سیستم‌های کوانتومی منجر شود؛ نوآوری فناورانه: دانش حاصل از این مطالعات می‌تواند در طراحی مواد تازه با ویژگی‌های بی همتا کوانتومی نظیر ابررساناهای دمای بالا یا آهنرباهای کوانتومی کاربرد اشکار کند.

 کشف نظم نهان در نقاط بحرانی کوانتومی بدون محدودیت، گامی بزرگ در مسیر شناخت بهتر حرکت ماده در مقیاس کوانتومی است، فهمیدن دقیق این اتفاق‌ها می‌تواند راه را برای گسترش فناوری‌های نوین هموار کند و حتی دیدگاه ما درمورد ماهیت بنیادی جهان را منقلب سازد، این مطالعه حاصل همکاری بین پژوهشگرانی از دانشگاه هنگ‌کنگ، دانشگاه ییل، دانشگاه کالیفرنیا سانتا باربارا، دانشگاه روهر بوخوم و دانشگاه فنی درسدن بوده است و در نشریه معتبر Science Advances به چاپ رسیده است.