किक्ड क्वांटम सिस्टम गतिशील स्थानीयकरण के उद्भव को प्रदर्शित कर सकते हैं, जो ऊर्जा अवशोषण को प्रतिबंधित करता है और शास्त्रीय संचालित सिस्टम के विपरीत, एर्गोडिसिटी के टूटने का कारण बनता है, जो अराजक व्यवहार और विसरित ऊर्जा संचय को प्रदर्शित करता है। यह लंबे समय से अस्पष्ट है कि जब कई-शरीर की बातचीत मौजूद होती है तो गतिशील रूप से स्थानीयकृत राज्य कैसे विकसित होते हैं।
भौतिकविदों द्वारा एक नया अध्ययन यूसी सांता बारबरा और मैरीलैंड विश्वविद्यालय, और वाशिंगटन विश्वविद्यालय ने भी लंबे समय से चले आ रहे भौतिकी प्रश्न का उत्तर ढूंढ लिया है: इंटरपार्टिकल इंटरैक्शन गतिशील स्थानीयकरण को कैसे प्रभावित करते हैं?
प्रश्न "कई-निकाय" भौतिकी से संबंधित है, जो कई डेटा प्रकारों के साथ क्वांटम प्रणाली की भौतिक विशेषताओं की पड़ताल करता है। अनेक-शरीर संबंधी समस्याएं दशकों से शोध और चर्चा का विषय रही हैं। इन प्रणालियों की जटिलता, क्वांटम घटनाओं के साथ-साथ superposition और नाज़ुक हालत, संभावनाओं की एक विशाल श्रृंखला की ओर ले जाता है, जिससे केवल गणना के माध्यम से उत्तर देना कठिन हो जाता है।
सौभाग्य से, यह समस्या उस प्रयोग की पहुंच से परे नहीं थी जिसमें अल्ट्राकोल्ड लिथियम परमाणु और लेजर शामिल थे। तो, वैज्ञानिकों के अनुसार, ए अजीब क्वांटम स्थिति यह तब उभरता है जब आप एक अव्यवस्थित, अराजक बातचीत का परिचय देते हैं क्वांटम प्रणाली.
अल्ट्राकोल्ड परमाणु भौतिकी और क्वांटम सिमुलेशन में विशेषज्ञता वाले यूसीएसबी के प्रायोगिक भौतिक विज्ञानी डेविड वेल्ड (लिंक बाहरी है) ने कहा, "यह एक ऐसी स्थिति है जो विसंगतिपूर्ण है, जिसमें ऐसे गुण हैं जो कुछ अर्थों में शास्त्रीय भविष्यवाणी और गैर-इंटरैक्टिंग क्वांटम भविष्यवाणी के बीच स्थित हैं।"
“जब अजीब, प्रति-सहज ज्ञान युक्त व्यवहार की बात आती है, तो क्वांटम दुनिया निराश नहीं करती है। उदाहरण के लिए, एक नियमित पेंडुलम लें, जो ऊर्जा स्पंदनों के अधीन होने पर ठीक उसी तरह व्यवहार करेगा जैसा हम उससे अपेक्षा करते हैं।
"यदि आप इसे लात मारते हैं और समय-समय पर इसे ऊपर-नीचे हिलाते हैं, तो एक शास्त्रीय पेंडुलम लगातार ऊर्जा को अवशोषित करेगा, सभी जगह पर घूमना शुरू कर देगा, और पूरे पैरामीटर स्थान का अव्यवस्थित रूप से पता लगाएगा।"
क्वांटम सिस्टम में अराजकता अलग दिखती है। विकार के कारण कण एक प्रकार से स्थिर हो सकते हैं। इसके अतिरिक्त, जबकि एक किक किया गया क्वांटम पेंडुलम या "रोटर" शुरू में किक से ऊर्जा को अवशोषित कर सकता है, शास्त्रीय पेंडुलम के समान, बार-बार किक के साथ, सिस्टम ऊर्जा को अवशोषित करना बंद कर देता है, और गति वितरण स्थिर हो जाता है जिसे गतिशील रूप से स्थानीयकृत स्थिति के रूप में जाना जाता है।
यह स्थानीयकृत अवस्था एक "गंदे" इलेक्ट्रॉनिक ठोस के व्यवहार के समान है, जिसमें विकार के परिणामस्वरूप स्थिर, स्थानीयकृत इलेक्ट्रॉन होते हैं। यह किसी ठोस को धातु या चालक (गतिशील इलेक्ट्रॉन) से कुचालक में परिवर्तित करने का कारण बनता है।
जबकि एकल, गैर-अंतःक्रियात्मक कणों के संदर्भ में स्थानीयकरण की इस स्थिति का दशकों से पता लगाया गया है, कई परस्पर क्रिया करने वाले इलेक्ट्रॉनों के साथ एक अव्यवस्थित प्रणाली में क्या होता है? इस तरह के प्रश्न और क्वांटम अराजकता के संबंधित पहलू वेल्ड और उनके सह-लेखक, मैरीलैंड विश्वविद्यालय के सिद्धांतकार विक्टर गैलिट्स्की के दिमाग में कई साल पहले एक चर्चा के दौरान थे, जब गैलिट्स्की सांता बारबरा का दौरा कर रहे थे।
वेल्ड को याद किया गया, “विक्टर ने सवाल उठाया कि क्या होगा यदि, इस शुद्ध गैर-इंटरैक्टिंग क्वांटम सिस्टम के बजाय जो हस्तक्षेप द्वारा स्थिर होता है, आपके पास इन रोटर्स का एक समूह होता है, और वे सभी एक-दूसरे से टकरा सकते हैं और एक-दूसरे के साथ बातचीत कर सकते हैं। क्या स्थानीयकरण कायम रहता है, या अंतःक्रियाएँ इसे नष्ट कर देती हैं?”
गैलिट्स्की ने कहा, "वास्तव में, यह एक जटिल प्रश्न है जो सांख्यिकीय यांत्रिकी की नींव और एर्गोडिसिटी की मूल धारणा से संबंधित है, जिससे अधिकांश इंटरैक्टिंग सिस्टम अंततः एक सार्वभौमिक स्थिति में थर्मल हो जाते हैं।"
“एक पल के लिए गर्म कॉफी में ठंडा दूध डालने की कल्पना करें। आपके कप में मौजूद कण, समय के साथ और अपनी अंतःक्रियाओं के माध्यम से, खुद को एक समान, संतुलन स्थिति में व्यवस्थित कर लेंगे जो न तो पूरी तरह से है गर्म कॉफी या ठंडा दूध. इस प्रकार का व्यवहार - थर्मलाइजेशन - सभी इंटरैक्टिंग प्रणालियों से अपेक्षित था। यानी, लगभग 16 साल पहले तक जब यह तर्क दिया जाता था कि क्वांटम प्रणाली में विकार के परिणामस्वरूप कई-शरीर स्थानीयकरण (एमबीएल) होता है।
"इस घटना को इस साल की शुरुआत में लार्स ओन्सगर पुरस्कार से मान्यता मिली, जिसे सैद्धांतिक या प्रयोगात्मक रूप से कठोरता से साबित करना मुश्किल है।"
वेल्ड की टीम के पास मामले पर प्रभावी ढंग से प्रकाश डालने के लिए उपकरण, तकनीक और ज्ञान है। उनकी प्रयोगशाला में 100,000 अति-ठंडे लिथियम परमाणु गैस में प्रकाश की खड़ी तरंग में निलंबित हैं। प्रत्येक परमाणु एक क्वांटम रोटर का प्रतिनिधित्व करता है जिसे लेजर पल्स स्पार्क कर सकता है।
फ़ेशबैक अनुनाद उपकरण का उपयोग करके, वैज्ञानिक परमाणुओं को एक-दूसरे से छिपाकर रख सकते हैं या मनमाने ढंग से मजबूत इंटरैक्शन के साथ उन्हें एक-दूसरे से उछाल सकते हैं। घुंडी को घुमाने से, शोधकर्ता लिथियम परमाणुओं को लाइन डांस से मॉश पिट तक ले जा सकते हैं और उनके व्यवहार को पकड़ सकते हैं।
जैसा कि अनुमान था, जब परमाणु एक दूसरे को देखने में असमर्थ थे, तो वे एक निश्चित बिंदु तक लेजर से बार-बार किक का सामना करने में सक्षम थे, जिस समय वे अपने गतिशील रूप से स्थानीय रूप में चलना बंद कर देते थे। हालाँकि, जैसे-जैसे वैज्ञानिकों ने बातचीत बढ़ाई, न केवल सीमित स्थिति गायब हो गई, बल्कि यह भी प्रतीत हुआ कि सिस्टम क्लासिक, अराजक व्यवहार का अनुकरण करते हुए, बार-बार की जाने वाली किक से ऊर्जा को अवशोषित कर रहा था।
वेल्ड ने कहा, "हालांकि, जब परस्पर क्रिया करने वाली अव्यवस्थित क्वांटम प्रणाली ऊर्जा को अवशोषित कर रही थी, तो यह शास्त्रीय प्रणाली की तुलना में बहुत धीमी गति से ऐसा कर रही थी।"
“हम कुछ ऐसा देख रहे हैं जो ऊर्जा को अवशोषित करता है, लेकिन उतना अच्छा नहीं जितना एक शास्त्रीय प्रणाली कर सकती है। और ऐसा लगता है जैसे ऊर्जा समय के साथ रैखिक रूप से बढ़ने के बजाय समय के वर्गमूल के साथ बढ़ रही है। इसलिए अंतःक्रियाएं इसे शास्त्रीय नहीं बना रही हैं; यह अभी भी एक अजीब क्वांटम स्थिति है जो असामान्य गैर-स्थानीयकरण प्रदर्शित कर रही है।"
वैज्ञानिकों ने इको नामक विधि का प्रयोग किया। इस पद्धति में, गतिज विकास को आगे और फिर पीछे की ओर चलाया जाता है ताकि यह मापा जा सके कि अंतःक्रियाएं समय की प्रतिवर्तीता को सीधे कैसे नष्ट कर देती हैं। क्वांटम अराजकता का एक महत्वपूर्ण संकेतक समय की प्रतिवर्तीता का विनाश है।
सह-लेखक रोशन सज्जाद, लिथियम टीम के स्नातक छात्र शोधकर्ता, ने कहा, "इसके बारे में सोचने का दूसरा तरीका यह पूछना है: कुछ समय के बाद सिस्टम में प्रारंभिक स्थिति की कितनी मेमोरी रह जाती है?"
“आवारा प्रकाश या गैस टकराव जैसी किसी भी गड़बड़ी की अनुपस्थिति में, यदि भौतिकी को पीछे की ओर चलाया जाए तो सिस्टम को अपनी प्रारंभिक स्थिति में लौटने में सक्षम होना चाहिए। हमारे प्रयोग में, हम किक के चरण को उलट कर समय को उल्टा करते हैं, किक के पहले सामान्य सेट के प्रभावों को 'पूर्ववत' करते हैं। हमारे आकर्षण का एक हिस्सा यह था कि विभिन्न सिद्धांतों ने इस प्रकार के इंटरैक्टिंग सेटअप के नतीजे पर अलग-अलग व्यवहार की भविष्यवाणी की थी, लेकिन किसी ने भी कभी प्रयोग नहीं किया था।
प्रमुख लेखक एलेक काओ ने कहा, “अराजकता का मोटा विचार यह है कि भले ही गति के नियम समय-प्रतिवर्ती हों, एक बहु-कण प्रणाली इतनी जटिल और गड़बड़ी के प्रति संवेदनशील हो सकती है कि अपनी प्रारंभिक स्थिति में वापस लौटना व्यावहारिक रूप से असंभव है। मोड़ यह था कि एक प्रभावी रूप से अव्यवस्थित (स्थानीयकृत) स्थिति में, इंटरैक्शन ने स्थानीयकरण को कुछ हद तक तोड़ दिया, यहां तक कि सिस्टम ने समय-उलटा होने की क्षमता खो दी।
सज्जाद ने कहा, "भोलेपन से, आप उम्मीद करेंगे कि बातचीत समय-उलट को बर्बाद कर देगी, लेकिन हमने कुछ और दिलचस्प देखा: थोड़ी सी बातचीत मदद करती है! यह इस काम के सबसे आश्चर्यजनक परिणामों में से एक था।
वैज्ञानिकों ने एक पूरक प्रयोग चलाया जिसमें एक-आयामी संदर्भ में भारी परमाणुओं का उपयोग करके समान परिणाम उत्पन्न किए गए।
गुप्ता ने कहा, "यूडब्ल्यू में प्रयोग बहुत ही कठिन भौतिक व्यवस्था में संचालित हुए, जिसमें 25 गुना भारी परमाणु केवल एक आयाम में स्थानांतरित करने के लिए प्रतिबंधित थे, फिर भी समय-समय पर किकिंग से कमजोर-रैखिक ऊर्जा वृद्धि को मापा गया, एक ऐसे क्षेत्र पर प्रकाश डाला गया जहां सैद्धांतिक परिणाम सामने आए हैं विवादित।"
वेल्ड ने कहा, "ये निष्कर्ष, कई महत्वपूर्ण भौतिकी परिणामों की तरह, अधिक प्रश्न खोलते हैं और अधिक क्वांटम अराजकता प्रयोगों के लिए मार्ग प्रशस्त करते हैं, जहां शास्त्रीय और के बीच प्रतिष्ठित लिंक क्वांटम भौतिकी उजागर हो सकता है।"
गैलिट्स्की ने टिप्पणी की, “डेविड का प्रयोग अधिक नियंत्रित प्रयोगशाला सेटिंग में एमबीएल के गतिशील संस्करण की जांच करने का पहला प्रयास है। हालाँकि इसने किसी भी तरह से मूल प्रश्न को स्पष्ट रूप से हल नहीं किया है, लेकिन डेटा से पता चलता है कि कुछ अजीब हो रहा है।
वेल्ड कहा, “संघनित पदार्थ प्रणालियों में कई-निकाय स्थानीयकरण पर बहुत बड़े काम के संदर्भ में हम इन परिणामों को कैसे समझ सकते हैं? हम पदार्थ की इस अवस्था को कैसे चित्रित कर सकते हैं? हम देखते हैं कि सिस्टम स्थानीयकृत हो रहा है, लेकिन अपेक्षित रैखिक समय निर्भरता के साथ नहीं; वहाँ पर क्या चल रहा है? हम इन और अन्य प्रश्नों की खोज के लिए भविष्य में प्रयोगों की प्रतीक्षा कर रहे हैं।"
जर्नल संदर्भ:
- तोह, जेएच, मैककॉर्मिक, केसी, टैंग, एक्स और अन्य देखें। एक किक्ड वन-डायमेंशनल अल्ट्राकोल्ड गैस में कई-बॉडी डायनेमिक डेलोकलाइज़ेशन। नेट। मानसिक. (2022)। डीओआई: 10.1038 / s41567-022-01721-w
