به کمک کوانتوم میسر شد: سردی و گرمی در آن واحد!

دما یک خاصیت آماری است. سیستم های بسیار کوچک شامل تعداد اندکی از ذرات، به طور آماری توصیف نمی شوند.

دانشمندان اکنون چگونگی رسیدن یک سیستم کوانتومی به حالتی با ویژگی های آماری مشخص را اندازه گیری کرده اند و به طور شگفت انگیزی آنها دریافتند که سیستم های کوانتومی می توانند در آن واحد چندین دما داشته باشند. ارتباط بین سیستم های کوچک کوانتومی و سیستم های بزرگ پیروی کننده از فیزیک کلاسیکی، هنوز یکی از چالش های بزرگ فیزیک و شیمی است.

به کمک کوانتوم میسر شد: سردی و گرمی در آن واحد!

دما یک خاصیت فیزیکی بسیار مهم است. این خاصیت به ما اجازه می دهد تا بیان آماری ساده ای درباره ی انرژی ذرات پیچ خورده حول مسیرهای پیچیده ی بدون دانستن جزییات خاصی از سیستم انجام دهیم. دانشمندان از دانشگاه صنعتی وینا، به همراه همکارانشان از دانشگاه هیدلبرگ در حال بررسی کرده اند که چگونه ذرات کوانتومی به چنین حالتی میرسند که حالات آماری ممکن هستند در یک زمان. این یک گام مهم برای رسیدن به فهم سیستم های کوانتومی بزرگ و ویژگی های خارجی آنهاست.

آمارها در جایی که چیزها پیچیده می شوند به کمک می آیند

هوای اطراف ما شامل ملکول های غیرقابل شمارش است که به طور تصادفی حول هم می چرخند. شاید دنبال کردن مسیر آنها غیرممکن باشد و توصیف مسیر تمام آنها. اما برای اهداف بسیاری، این کار لازم نیست. ویژگی های گاز را می توان با فهمیدن اینکه رفتار جمعی تمام ملکول ها را توصیف می کند مانند فشار هوای دما که نتیجه ای از انرژی ذرات است را توصیف می کند. در یک روز گرم تابستانی، ملکول ها در حدود ۴۳۰ متر بر ثانیه را می پیمایند و در زمستان این مقدار کمی کمتر می شود.

این دید آماری (که به وسیله ی فیزیک دان وینی یعنی بولتزمن توسعه یافت) بسیار موفق بوده و سیستم های فیزیکی متفاوتی را، از آب در حال جوش گرفته تا انتقالات فاز در کریستال های مایع را در نمایشگرهای LCD را توصیف می کند. اما برخلاف تلاش های بسیار، سوالات بدون جواب باقی مانده است، به ویژه با توجه به سیستم های کوانتومی. چگونگی ظهور قوانین مشهور فیزیک آماری از بخش های کوانتومی بسیار کوچک یک سیستم، یک سوال بی پاسخ بسیار بزرگ باقی می ماند.

سردی و گرمی در آن واحد!

دانشمندان دانشگاه صنعتی وینا در مطالعه ی رفتار یک سیستم چندذره ای کوانتومی به منظور فهم ظهور ویژگی های آماری، موفق شده اند. تیم پروفسور جورگ شمیدمایر، نوع خاصی از میکروچیپ را برای به دام انداختن چندین هزار اتم و سرد کردن آنها تا نزدیکی صفر مطلق در – ۲۷۳ درجه سانتیگراد که ویژگی های کوانتومی آنها بروز می یابد، استفاده کرده اند.

آزمایش نتایج قابل توجهی نشان داد. زمانیکه شرایط خارجی در چیپ به طور ناگهانی تغییر کرد، گاز کوانتومی می تواند دمای متفاوتی را در آن واحد داشته باشد. آن می تواند در آن واحد سرد یا گرم باشد. تعداد دماها دقیقاً به چگونگی دستکاری گاز توسط دانشمندان بستگی دارد. تیم لانگن، نویسنده ی اصلی مقاله ی منتشر شده در Science می گوید: ” با میکروچیپ ما می توانیم سیستم های کواتتومی پیچیده را به خوبی کنترل کرده و رفتارهای آنها را اندازه بگیریم. ” قبلاً محاسبات نظری این اثر پیش بینی کرده اند، اما هیچگاه مشاهده ی آن ممکن نخواهد بود و آن اینکه آن را در یک محیط کنترل شده تولید کنیم.

آزمایش به دانشمندان برای فهم قوانین پایه ای کوانتوم و ارتباط آنها با قوانین آماری ترمودینامیک، کمک کرده است. این برای سیستم های کوانتومی بسیار متفاوت، شاید حتی برای کاربردهای تکنولوژیکی، آشکار است. در نهایت این نتایج راه شناخت دنیای ماکروسکوپیکی که از دنیای شگفت انگیز ذرات کوچک کوانتومی بروز می باید، روشن می کند.