كشفت تجربة الكم أن الجسيمات يمكن أن تشكل تجمعات من لا شيء تقريبًا

كم عدد الجسيمات التي تحتاجها قبل أن تبدأ الذرات الفردية بالتصرف بشكل جماعي؟ وفقًا لبحث جديد ، فإن الرقم منخفض للغاية. ما لا يقل عن ست ذرات ستبدأ في التحول إلى نظام مجهري ، في ظل الظروف المناسبة.

باستخدام مصيدة الليزر فائقة البرودة المصممة خصيصًا ، لاحظ الفيزيائيون السلائف الكمية للانتقال من الطور العادي إلى الطور الفائق - مما يوفر طريقة لدراسة ظهور السلوك الذري الجماعي وحدود الأنظمة العيانية.

فيزياء الأجسام المتعددة هي المجال الذي يسعى إلى وصف وفهم السلوك الجماعي لعدد كبير من الجسيمات: دلو من الماء ، على سبيل المثال ، أو علبة غاز. يمكننا وصف هذه المواد من حيث كثافتها أو درجة حرارتها - الطريقة التي تتصرف بها المادة ككل.

تسمى هذه الأنظمة الماكروسكوبية أو أنظمة الجسم المتعددة ، ولا يمكننا فهمها بمجرد دراسة سلوك الذرات أو الجزيئات الفردية. بدلاً من ذلك ، ينشأ سلوكهم من التفاعلات بين الجسيمات التي لا تمتلك بشكل فردي نفس خصائص النظام ككل.

تتضمن بعض الأمثلة على السلوكيات العيانية التي لا يمكن وصفها مجهريًا الإثارة الجماعية ، مثل الفونونات التي تتأرجح الذرات في الشبكة البلورية. تعتبر انتقالات الطور مثالًا آخر - عندما تنتقل مادة من مرحلة إلى أخرى - مثل عندما يذوب الجليد في سائل ، على سبيل المثال ، أو عندما يتبخر السائل في غاز.

لطالما سعى الفيزيائيون إلى فهم كيفية ظهور هذا السلوك الجماعي من الجسيمات الفردية التي تتجمع تدريجياً - كيف ينبثق المجهر من المجهر.

لذلك صمم فريق من الباحثين من جامعة هايدلبرغ تجربة لمحاولة اكتشاف ذلك.

تكونت التجربة من شعاع ليزر شديد التركيز يعمل بمثابة "مصيدة" للذرات شديدة البرودة لنظير مستقر من الليثيوم ، يسمى الليثيوم 6. عند تبريده في غاز إلى جزء من درجة أعلى من الصفر المطلق ، يمكن أن يتصرف هذا النظير الفرميوني كسائل فائق ، واحد بدون لزوجة.

داخل مصيدة الليزر ، يمكن الاحتفاظ بعدد صغير جدًا من ذرات الليثيوم ، لتصبح بشكل فعال جهاز محاكاة للسلوك الكمي . ضمن هذا النظام ، يمكن للفريق ضبط التفاعلات بين الذرات باستخدام رنين Feshbach.

تحدث هذه الرنين عندما تدخل طاقة ذرتين متفاعلتين في صدى مع حالة ارتباط جزيئي ، ويمكن استخدامها لتغيير قوة التفاعل بين الجسيمات.

في كل تجربة ، أدخل الفريق ما يصل إلى ذرتين أو 6 أو 12 ذرة من الليثيوم 6 في مصيدة الليزر ، مما سمح للباحثين بملاحظة متى تبدأ الذرات في التصرف بشكل جماعي.

أوضح الباحث الرئيسي لوكا بايها: "من ناحية ، فإن عدد الجسيمات في النظام صغير بما يكفي لوصف النظام مجهريًا" . "ومن ناحية أخرى ، فإن التأثيرات الجماعية واضحة بالفعل".

مع وجود الذرات بالداخل ، قام الباحثون بضبط المصيدة ، من انعدام الانجذاب إلى مثل هذا الجذب القوي الذي جعل الذرات تتجمع في أزواج مرتبطة. هذا مطلب لتشكيل مائع فرميوني فائق - يجب أن ترتبط جسيمات الفرميونات معًا كأزواج كوبر التي تعمل مثل البوزونات ، وهي جسيمات أثقل تشكل طورًا فائقًا عند درجات حرارة أعلى من الفرميونات .

في كل تجربة ، درس الفريق متى ظهر السلوك الجماعي بناءً على عدد الجسيمات وقوة التفاعل بينها. ووجدوا أن إثارة الجسيمات لم تكن مرتبطة فقط بقوة التجاذب بينها ، بل كانت أيضًا مقدمة قليلة الأجسام لانتقال طور كمي إلى مائع فائق لأزواج كوبر.

قال الفيزيائي مارفن هولتن: "النتيجة المفاجئة لتجربتنا هي أن ست ذرات فقط تظهر كل الإشارات على انتقال الطور المتوقع لنظام متعدد الجسيمات" .

يقول الفريق إن درجة التحكم التي حصل عليها الباحثون ستكون مفيدة في المستقبل لأبحاث أخرى ، مثل دراسة عملية التحويل الحراري في الأنظمة الكمومية.

سيكونون قادرين أيضًا على إجراء تحقيقات للسائل الفيرميوني الفائق على مستوى أساسي ، والتحقيق في ظهور أزواج Cooper في الأنظمة الأكبر.

نُشر بحث الفريق في مجلة Nature .