رازهای کوانتومی در پسِ نقاشی «شب پرستاره» ون گوگ کشف شد
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، ایزاک آسیموف، نویسنده مشهور آمریکایی، زمانی گفته بود: «هنری در علم وجود دارد و علمی در هنر.» یک مطالعه جدید با برجسته کردن ارتباطی که پیش از این هرگز دیده نشده بود، بین نقاشی معروف ونسان ون گوگ، «شب پرستاره»، و فیزیک کوانتومی، این نقل قول را به درستی اثبات می‌کند.
تمرکز اصلی این مطالعه بر بی‌ثباتی کلوین-هلمهولتز (KHI) است، اثری که در دنیای روزمره مشاهده می‌شود، زمانی که دو سیال با سرعت‌های مختلف از کنار یکدیگر می‌لغزند و می‌توانند امواج و حلقه‌هایی را در ابر‌ها، رودخانه‌ها یا سطوح اقیانوس ایجاد کنند. هیرومیتسو تاکوچی، نویسنده اصلی مطالعه و استادیار دانشگاه متروپولیتن اوساکا، گفت: تحقیقات ما با یک سوال ساده آغاز شد. آیا بی‌ثباتی کلوین-هلمهولتز می‌تواند در سیالات کوانتومی اتفاق بیفتد؟»
تاکنون، هیچ‌کس واقعاً KHI را در یک سیال کوانتومی ندیده بود. با این حال، نویسندگان مطالعه‌ی حاضر نه تنها آن را برای اولین بار ثبت کردند، بلکه گرداب‌های هلالی شکل، معروف به اسکایرمیون‌های کسری خارج از مرکز (EFS) را نیز کشف کردند که شباهت چشمگیری به ماه درخشان در نقاشی شب پرستاره ون گوگ دارند.
تاکوچی افزود: «اسکایرمیونها معمولاً متقارن و متمرکز هستند، اما EFSها شکلی هلالی شکل دارند و شامل تکینگی‌های جاسازی‌شده هستند، نقاطی که ساختار اسپینی معمول در آنها می‌شکند و اعوجاج‌های شدیدی ایجاد می‌کنند. از نظر من، هلال ماه بزرگ در گوشه بالا سمت راست «شب پرستاره» دقیقاً شبیه یک EFS است.»
بازآفرینی آشفتگی در دنیای کوانتومی
در سیالات معمولی، KHI هر جا که اختلاف سرعت شدیدی بین دو جریان وجود داشته باشد، خود را نشان می‌دهد. این اثر را می‌توان به راحتی در امواج دریا‌های مواج یا رگه‌های ابر‌ها در آسمان مشاهده کرد.
با این حال، بازتولید این اثر در یک سیال کوانتومی به هیچ وجه سرراست نیست. سیالات کوانتومی، مانند چگالش بوز-اینشتین یا ابرسیال‌ها، طبق مکانیک کوانتومی رفتار می‌کنند نه فیزیک کلاسیک.
آنها هیچ ویسکوزیته‌ای ندارند و خواص آنها به حالت‌های کوانتومی ظریفی گره خورده است که ایجاد و کنترل آنها به طرز چشمگیری دشوار است. برای دهه‌ها، این امر مشاهده مستقیم KHI در چنین سیستم‌هایی را دور از دسترس جلوه می‌داد.
نویسندگان این مطالعه با استفاده از یک چیدمان جالب بر این چالش غلبه کردند. آنها گازی از اتم‌های لیتیوم را تا دمایی کمی بالاتر از صفر مطلق سرد کردند و آن را به یک چگالش بوز-اینشتین چند جزئی تبدیل کردند، فازی که در آن اتم‌ها مانند یک موج کوانتومی منسجم عمل می‌کنند.
آنها میعانات را به دو جزء همپوشانی که با سرعت‌های مختلف از کنار یکدیگر جریان داشتند، مرتب کردند. در مرز بین این جریان‌ها، الگو‌های موج‌دار شروع به شکل‌گیری کردند که شباهت زیادی به مراحل اولیه KHI کلاسیک داشت.
آنچه در ادامه آمد کاملاً جدید بود. در محیط کوانتومی، ناپایداری نه تنها امواج صاف ایجاد می‌کرد، بلکه گرداب‌هایی ایجاد می‌کرد که ساختار آنها توسط ماهیت کوانتومی سیستم تعیین می‌شد. اینها به EFS تبدیل شدند، نوع جدیدی از نقص توپولوژیکی.
برخلاف اسکایرمیون‌های متقارن یافت شده در مواد مغناطیسی، EFSها دارای انحراف، هلالی شکل و دارای تکینگی‌های جاسازی‌شده بودند، نقاطی که الگوی اسپین معمولی به طور ناگهانی شکسته می‌شد و اعوجاج‌های شدیدی ایجاد می‌کرد.
نویسندگان این مطالعه گفتند: «این اسکایرمیونها از شکست تقارن غیرعادی مرتبط با تکینگی اسپین خارج از مرکز ناشی می‌شوند و نیمی از بار بنیادی را حمل می‌کنند - ویژگی‌ای که آنها را از اسکایرمیونها و مرون‌های معمولی متمایز می‌کند.»
نوع جدیدی از کوانتوم
اسکایرمیونها در حال حاضر به دلیل پتانسیلشان در اسپینترونیک، یک حوزه نوظهور که هدف آن ساخت دستگاه‌های ذخیره‌سازی و محاسباتی سریع‌تر و کارآمدتر با کنترل اسپین ذرات به جای جریان‌های الکتریکی است، مورد بررسی قرار گرفته‌اند.
یافتن گونه‌ی کاملاً جدیدی از اسکایرمیون در یک سیال کوانتومی می‌تواند به روش‌های کشف‌نشده‌ای برای ایجاد و دستکاری چنین ساختار‌هایی اشاره داشته باشد.
علاوه بر این، این کار سوالات جدیدی را برای نظریه ایجاد می‌کند. برای مثال، EFSها به طور کامل در طبقه‌بندی‌های توپولوژیکی موجود جای نمی‌گیرند، که نشان می‌دهد درک ما از چنین ساختار‌های کوانتومی ناقص است.
نویسندگان این مطالعه افزودند: «نتایج ما، جهان‌شمولی بین ناپایداری‌های کلوین-هلمهولتز کلاسیک و کوانتومی را تأیید می‌کند و درک ما را از دینامیک غیرخطی پیچیده برای یک بافت غیربدیهی در سیستم‌های کوانتومی توپولوژیکی گسترش می‌دهد.
محققان اکنون قصد دارند آزمایش‌های دقیق‌تری انجام دهند که به آنها اجازه می‌دهد پیش‌بینی‌های انجام شده بیش از یک قرن پیش در مورد طول موج‌ها و فرکانس‌های امواج کلوین-هلمهولتز را آزمایش کنند. آنها همچنین علاقه‌مندند ببینند که آیا گرداب‌های مشابهی در سایر سیستم‌های کوانتومی چند جزئی یا با ابعاد بالاتر ظاهر می‌شوند یا خیر.
خلاصه اینکه، کشفی که با اشاره‌ای به یک اثر هنری قرن نوزدهم آغاز شد، ممکن است در نهایت بخش‌هایی از فیزیک قرن بیست و یکم را تغییر شکل دهد.
این مطالعه در مجله Nature Physics منتشر شده است.