بررسی فرایند انتقال فاز و پژوهشی برای اثبات تئوری آن

 تحقیقات جدید، تئوری قدیمی درباره‌ی اصول انتقال فاز کوانتومی را مورد تایید قرار داده است.

تحقیقات جدید انجام شده در دانشگاه شیکاگو، یک نظریه‌ را که برای چند دهه‌ به منظور توصیف پویایی انتقال فاز پیوسته مطرح بوده، تائید کرده است. یافته‌های اخیر چهارم نوامبر در ژورنال Science منتشر شده‌اند و به عنوان فراهم‌کننده‌ی اولین نمایش واضح و روشن از مکانیزم کیبل-زورک برای یک گذار فاز کوانتومی در هر دو محیط فضا و زمان به شمار می‌روند. پروفسور چنگ چین (Cheng Chin) و تیم پژوهشی وی که از فیزیکدانان دانشگاه شیکاگو هستند، توانسته‌اند تا حالت گذار در اتم سزیم گازی در دمای نزدیک به صفر مطلق را مشاهده کنند.

در یک گذار فاز، فرم و خواص ماده تغییر می‌کند؛ همانند آنچه که در انتقال حالت از جامد به مایع (به عنوان مثال، یخ به آب) یا از مایع به گاز (به عنوان مثال تبدیل آب به بخار) اتفاق می‌افتد. این موارد به عنوان انتقال فاز مرتبه‌ی اول شناخته شده‌اند.

انجام یک گذار فاز پیوسته یا همان انتقال مرتبه‌ی دوم، منجر به شکل گرفتن نقص یا خللی همچون دیوار دامنه (domain wall)، رشته‌های کیهانی و بافت (texture) می‌شود. گفتنی است که در پدیده‌ی بافت، مقداری از ماده بین مناطقی با حالت‌های متمایز به دام افتاده است. مکانیزم کیبل-زورک پیش‌بینی می‌کند که چنین نقص و ساختارهای پیچیده‌ای به چه طریقی در فضا و زمان و در هنگامی که یک سیستم فیزیکی در میان گذار فاز پیوسته است، شکل خواهند گرفت. نمونه‌هایی از انتقال فاز پیوسته شامل شکستن تقارن به صورت خودبه‌خود در جهان اولیه و همچنین در مورد آزمایش توسط تیم تحت سرپرستی چنگ چین، به صورت یک انتقال فاز فرومغناطیس در اتم سزیم گازی هستند. چین که یکی از نویسندگان مقاله‌ی مرتبط با این پژوهش نیز بوده، درباره‌ی آزمایش می‌گوید:

ما انتقال فاز را مورد مطالعه قرار داده‌ایم، زیرا این مقوله یکی از اساسی‌ترین سوالاتی است که ما را سردرگم کرده است. پرسش‌هایی درباره‌ی منشا ساختار پیچیده‌ی جهان، چگونگی پیدایش کاستی‌ها در جهان و همچنین پرسش درباره‌ی اینکه چگونه مواد یکسان می‌توانند خواص متمایزی را در طول زمان از خود توسعه دهند.

کیهان‌شناسان که به مطالعه‌ی منشأ، روند تکامل، ساختار و آینده‌ی جهان هستی مشغول بوده‌اند، از سویی دیگر همواره به پدیده‌ی انتقال فاز در مواد نیز اندیشیده‌اند، چرا که این مقوله می‌تواند درک آن‌ها را از آنچه در طول تاریخ جهان هستی رخ داده، به‌خصوص در طول شکل‌گیری آن بالاتر ببرد. چین دراین‌باره گفت:

چیزی که ما از آزمایش KZM در سیستم خود آموخته‌ایم به هیچ عنوان در مورد منشأ جهان هستی نیست. در واقع یافته‌های ما در مورد چگونگی توسعه‌ی این ساختار پیچیده از طریق انتقال است. البته این دو پرسش متفاوت و در عین حال مرتبط هستند. به عنوان مثال شما می‌توانید بپرسید: برف از کجا به وجود آمده؟ یا اینکه شاید هم بپرسید چرا دانه‌های برف دارای یک ساختار کریستالی زیبا هستند؟ تحقیقات ما بیشتر در مورد پرسش دوم است.

یافته‌های این آزمایش می‌تواند در بسیاری از سیستم‌ها؛ از جمله کریستال‌های مایع، هلیوم ابرشاره و یا حتی غشاهای سلولی که دارای فرایند انتقال فاز پیوسته‌ی مشابه هستند، به کار برده شود. لوگان کلارک (Logan Clark)، دانشجوی دکترای دانشگاه شیکاگو در رشته‌ی فیزیک و نویسنده‌ی اول این مقاله در این باره می‌گوید:

همه‌ی آنها باید به صورت مشترک از تقارن مقیاس فضازمان یکسانی برخوردار باشند که ما در اینجا دیده‌ایم.

در این آزمایش، بخار اتم سزیم با استفاده از پرتوهای لیزر سرد شد، در نتیجه یک گاز سزیم کوانتومی ایجاد شد. پرتوهای لیزر اضافی برای ایجاد یک شبکه‌ی نوری به کار رفت که این شبکه‌ها اتم‌های گاز را در الگوهایی قرار می‌دادند. در این آزمایش از امواج صوتی هم به منظور لرزش شبکه‌ی نوری و هدایت اتم‌ها در میان یک انتقال فاز کوانتومی فرومغناطیس و مستمر استفاده شد. این امر باعث شد تا آن‌ها به حوزه‌های مختلفی تقسیم شوند که این حوزه‌ها هم دارای مومنتوم مثبت و هم مومنتوم منفی هستند. محققان دریافتند که ساختار دامنه‌های حاصل‌شده از این فرایند با آنچه در مکانیزم کیبل-زورک پیش‌بینی می‌شد، همخوانی دارد و سازگار است. کلارک در این مورد گفته است:

گاز کوانتومی عبوری از حالت انتقال فاز در شبکه‌ی نوری در آزمایش ما در واقع شبیه به کل جهان هستی در مراحل اولیه‌ی تشکیل با عبور از یک انتقال فاز است. هر سیستمی که تحت یک انتقال فاز پیوسته قرار می‌گیرد نیز باید دارای خواصی باشد که ما در آزمایش خود دیدیم.

الگوهای شکل‌گرفته در این روند به مقدار سرعت افزایش لرزش‌ بستگی دارند. لی فنگ (Lei Feng)، دانشجوی دکترا در دانشگاه شیکاگو که در زمینه‌ی فیزیک فعالیت دارد و یکی از نویسنده‌های این مقاله است، در این مورد می‌گوید:

هر قدر که سرعت افزایش تکان‌ها بیشتر باشد، به همان نسبت دامنه نیز کوچکتر خواهد شد. حرکت اتم‌ها در مناطق مختلف سیال از طریق میکروسکوپ قابل مشاهده بود؛ به طوری که ما می‌توانستیم میزان بزرگی دامنه‌ها را ببینیم و تعداد وقفه‌های بین آنها را بشماریم.

اریش مولر، استاد فیزیک در دانشگاه کرنل که با این تحقیق در ارتباط بوده، یافته‌های اخیر را به عنوان «یک نمود قابل توجه از جهان‌شمولی قوانین فیزیک» توصیف کرده است. وی همچنین در این باره گفته است:

این نظریه در واقع همان نظریه‌ای است که شکل‌گیری ساختار ماده در جهان در مراحل اولیه‌ی پیدایش آن و همچنین شکل‌گیری ساختار در گازهای سرد را توضیح می‌دهد.

مورد دوم همان تئوری است که در این پژوهش نیز از آن استفاده شده است. پروفسور چین درباره‌ی ارزش پژوهش اخیر معتقد است که:

 کار اخیر ما به درک اساسی‌مان از علم فیزیک کمک خواهد کرد. در حالی که کیهان‌شناسان هنوز در حال جستجو به دنبال شواهدی برای مکانیزم کیبل-زورک هستند، تیم ما در واقع موفق شده تا آن را در آزمایشگاه و در نمونه‌ی اتم با دمای بسیار پایین مشاهده کند. ما در مسیر صحیح برای بررسی سایر پدیده‌های کیهانی جذاب نیز قرار داریم؛ نه‌تنها با یک تلسکوپ، بلکه همچنین با استفاده از یک میکروسکوپ.

 
منبع phys.org
برچسب ها : , , ,