اولین تصویر گره کوانتومی در ابرسیال ثبت شد

محققینی که چند سال پیش برای اولین بار موفق به کشف گره‌ کوانتومی در محیط ابر سیال شده بودند، گزارش می‌دهند که این گره‌ها پس از مدت کوتاهی و قبل از تبدیل شدن به گرداب، تجزیه یا متحد می‌شوند.

اگر از یک ریاضیدان بخواهید که گره را برایتان توصیف کند، آن را به شیرینی پرتزل (نوعی شیرینی آلمانی که شبیه علامت بی‌نهایت است) تشبیه خواهد کرد. اما گره‌ های کوانتومی کمی متفاوت‌تر هستند. این گره‌ها از ذرات حلقوی شکلی تشکیل شده‌اند که تنها از یک نقطه به یکدیگر متصل هستند. هر گره کوانتومی از لحاظ توپولوژی پایدار بوده و مشابه سولیتون (Soliton) است. سولیتون شیئی است که با یک سرعت ثابت حرکت می کند و در این حالت، شکل خودش را نیز از دست نمی‌دهد.

فیزیکدانان بر این عقیده هستند که تولید ساختارهای گره‌ای در ابرسیال‌ها امکان پذیر است، ولی باز تولید آن در شرایط آزمایشگاهی برای آن‌ها بسیار چالش برانگیز خواهد بود. به همین دلیل اخباری که در این رابطه در سال ۲۰۱۶ منتشر شد، مشخص می‌کند که محققین دانشگاه آلتو فنلاند و امهرست آمریکا به چنین چیزی دست یافتند و این دستاورد برای این جامعه بسیار هیجان‌انگیز بود.

گره‌هایی که توسط آقایان میکو موتونن (Mikko Möttönen) و دیوید هال (David Hall) ساخته شد، شبیه حلقه‌های دود بودند. این دو از حالت کوانتومی ماده‌ای به نام بوز - اینستاین چگال شده (BEC) به عنوان واسط استفاده کردند که به نوعی حکم یک ابر سیال را دارد. این دو سپس این گره‌ها را با دستکاری در میدان‌های مغناطیس در هم تنیدند.

برای مثال تصور کنید که میدان‌های مغناطیسی همگی مانند تعدادی نوک پیکان هستند که جهت بالا را نشان می‌دهند و هسته این گره‌ های کوانتومی مانند دایره‌هایی هستند که نوک پیکان هر کدام جهت پایین را نشان می‌دهند و شکلی مانند چشم خدا را ایجاد می‌کنند. دیوید هال می‌گوید:

اگر خطوط میدان‌های مغناطیسی را دنبال کنید، به سمت مرکز می روند ولی در لحظه آخر، جهتشان عوض شده و جهت مخالف را ادامه می‌دهند. چرخش به خصوص این پیکان‌هاست که ارتباط جالب بین این گره‌ها را نشان می‌دهد.

با این حال این دو محقق، به توانایی مناسبی در تولید این گره‌ها رسیدند و در پی آن، ویدیویی از نحوه تشکیل شدنشان نیز درست کردند. البته این دو هنوز نمی‌دانند که با گذشت زمان، چه بر سر این گره های کوانتومی خواهد آمد. آقایان هال و موتونن عقیده دارند که این گره‌ها با گذر زمان کوچک‌تر می‌شوند تا بتوانند انرژی خود را کاهش دهند. درست مانند حبابی که به صورت طبیعی شکلی کروی به خود می‌گیرد؛ یا مانند توپی که در سرازیری حرکت می‌کند تا انرژی پتانسیل خود را از بین ببرد.

در نتیجه به نظر می‌رسد که گره های کوانتومی به صورت دینامیکی پایدار نباشند و پیش از تجزیه شدن ابر سیالشان از بین بروند. اما اگر این گره‌ها بتوانند آن قدر دوام بیاورند که واسطه ابر سیالشان از بین برود، آنگاه به شدت پایدار خواهند شد. در ادامه تحقیقاتی که این دو انجام دادند، توانستند از واسطه BEC بهترین بهره را بگیرند و تجزیه گره‌ها و تبدیلشان به گرداب‌ها را تشخیص دهند.

محققین پس از تولید این گره‌ها به کمک میدان‌های مغناطیسی، ابرسیال BEC را آشفته کرده و از آن‌ها جدا کردند. پس از این کار، از رفتار گره های کوانتومی تصویربرداری شده و از آن در قالب ویدیو خروجی گرفته شد. این آزمایش، دو مرحله متفاوت از فرایند تجزیه را نشان می‌داد. در مرحله اول، تعداد زیادی جزیره فرو مغناطیس در نواحی غیر مغناطیسی BEC شکل گرفت.

در مرحله دوم گره‌ها بعد از چند صد میلی ثانیه در ابر سیال حل شدند و جزیره‌های فرو مغناطیس به سمت گوشه‌های ابرسیال BEC حرکت کردند و در این هنگام، مرکز این ابر سیال را در قالب یک محدوده غیر مغناطیسی رها کردند. در نهایت گردابی از چرخش‌های اتمی میان این دو محدوده مغناطیسی و غیر مغناطیسی شکل می‌گیرد.

محققین می‌گویند:

تجزیه شدن این گره‌ها بسیار غافلگیر کننده بوده، زیرا آن‌ها از لحاظ توپولوژی بسیار پایدار هستند. همچنین این دستاورد برای این حوزه بسیار مهم بوده زیرا برای اولین بار است که تجزیه یک گرداب ۳ بعدی کوانتومی به یک گرداب تک بعدی را مشاهده می‌کنیم.

ممکن است که گره های کوانتومی در حد یک کنجکاوی آزمایشگاهی باقی بمانند، اما احتمال دارد تا از این تحقیقات برای تولید کامپیوتر‌های کوانتومی نیز استفاده شود. این کامپیوتر‌ها می‌تواند کیوبیت‌ها را در شرایط پایدار مختلف توپولوژی در هم تنیده تا نسبت به مشکلات پیش آمده مقاوم‌تر شوند. آخرین کشفیات نشان می‌دهد که زمان‌بندی در این زمینه امری بسیار حیاتی است زیرا گره‌ها ممکن است زود تجزیه شوند.

موتونن می‌گوید:

دیدن این که زمانی از این تکنولوژی در رابطه با کارهای کاربردی‌تری استفاده کنند بسیار فوق‌العاده خواهد بود و مطمئنم که روزی این اتفاق خواهد افتاد. کشفیات ما نشان می‌دهد که گره های کوانتومی در سیستم‌های گازی بسیار سریع با یکدیگر متحد می‌شوند، پس احتمالا اولین مثال‌های کابردی آن را در سیستم‌های دیگری ببینیم.