کشف رفتار «روباه و خرگوش» در دنیای کوانتومی

در درس‌های فیزیک ما یاد گرفته‌ایم که بارهای همنام یکدیگر را دفع می‌کنند، اما بارهای ناهمنام یکدیگر را جذب می‌کنند. این تعاملات متقابل به نظر بدیهی و آشنا می‌رسند. با این حال، طبیعت همیشه این‌گونه نیست. به عنوان مثال، در رابطه شکارچی و شکار، روباه به سمت خرگوش جذب می‌شود و آن را تعقیب می‌کند، اما خرگوش از روباه فرار می‌کند. تا زمانی که روباه خرگوش را نگیرد، این تعامل منجر به نوعی پویایی می‌شود که در سیستم‌های دیگر مانند نانوذرات یا کلوئیدها نیز دیده می‌شود.

توبیاس نادولنی، کریستوف برودر و دکتر ماتئو برونلی از دانشگاه بازل نشان داده‌اند که چنین تعاملات متضادی (A جذب B می‌شود، اما B از A دور می‌شود و فرار می‌کند) به‌طور نظری می‌تواند در دنیای کوانتومی وجود داشته باشد. نتایج کار آنها در مجله علمی Physical Review X منتشر شده است. این مقاله همچنین دستورالعملی برای تحقق این تعاملات متضاد در عمل ارائه می‌دهد.

نادولنی، دانشجوی دکترا، می‌گوید: مشخص نبود که آیا چنین تعاملات متضادی در فیزیک کوانتومی امکان‌پذیر است یا نه، زیرا فرمول‌های ریاضی معمولاً به تعاملات متقابل منجر می‌شوند.

برای ایجاد موقعیت شکارچی-شکار در دنیای کوانتومی، محققان به سیستم‌های کوانتومی باز روی آوردند. در چنین سیستم‌هایی، انرژی به‌طور مداوم از خارج به ذرات کوانتومی تزریق می‌شود، مثلاً در قالب نور که باعث می‌شود ذرات فعال شوند. علاوه بر این، ذرات باید به روش خاصی بر یکدیگر تأثیر بگذارند تا یک تعامل متضاد ایجاد شود.

برونلی، پژوهشگر پسادکترا، می‌گوید: در ابتدا هیچ ایده‌ای نداشتیم که آیا این کار جواب می‌دهد یا نه و محاسبات طولانی‌ای برای رسیدن به نتیجه لازم بود.

اما نتیجه به‌وضوح نشان داد که ذرات کوانتومی واقعاً می‌توانند مانند روباه و خرگوش رفتار کنند. یکی از پیامدهای این تعاملات این است که سیستم کوانتومی هرگز به حالت سکون نمی‌رسد و همیشه در حرکت است.

این پویایی می‌تواند منجر به تشکیل بلورهای زمانی شود که در آن یک دینامیک خاص به‌طور دوره‌ای تکرار می‌شود، بدون اینکه ریتمی از خارج تحمیل شود. برونلی توضیح می‌دهد: این نتیجه، شبیه به یک کریستال معمولی است که در آن تقارن فضایی به‌طور خودبه‌خودی شکسته می‌شود و اتم‌ها به‌طور منظم آرایش می‌یابند، با این تفاوت که این نظم در فضا ایجاد نمی‌شود، بلکه در زمان ایجاد می‌شود.

به گفته محققان، چنین سیستم کوانتومی بازی می‌تواند با استفاده از اتم‌هایی که به‌طور مداوم توسط نور لیزر تحریک می‌شوند، تحقق یابد. دو گروه از این اتم‌ها که از نظر فضایی جدا شده‌اند، توسط دو موج‌بر (مانند کابل‌های فیبر نوری) به یکدیگر متصل می‌شوند، به‌طوری که نور فقط در یک جهت در هر موج‌بر حرکت می‌کند.

در شرایط خاص، این شرایط می‌تواند منجر به یک تعامل متضاد بین فازهای اسپین اتم‌ها شود که می‌توان آنها را به‌عنوان فلش‌های کوچک چرخان تصور کرد؛ فازهای گروه A (که نشان می‌دهند اسپین‌ها در کجای چرخه خود هستند) می‌خواهند با فازهای گروه B هم‌راستا شوند، در حالی که فازهای گروه B سعی می‌کنند تا حد امکان با فازهای گروه A متفاوت باشند.

نادولنی می‌گوید: امیدواریم که نتایج ما الهام‌بخش سایر محققان برای بررسی سیستم‌های کوانتومی با تعاملات متضاد باشد.

وی همچنین برخی کاربردهای عملی را برای این نتایج جالب در نظر دارد. به عنوان مثال، بینش‌های به‌دست‌آمده توسط محققان این پروژه می‌تواند به تحقق مکانیسم‌های ساعت‌های اتمی با قابلیت اطمینان بالا کمک کند.