دانشمندان به کمک تقارن زمان-پادپاریته ، پخش گرما را منجمد کردند!

دانشمندان برای اولین بار نشان داده‌اند که انرژی گرمایی را می‌توان با استفاده اصل تقارن زمان-پادپاریته (anti-parity-time symmetry) مکانیک کوانتومی دستکاری کرد. با استفاده از این روش، آن‌ها قادر خواهند بود انتشار گرما در ماده را کنترل کنند. محققان دانشگاه ملی سنگاپور در یک مطالعه‌ی جذاب، روشی را معرفی کردند که با استفاده از نظریه‌‌های کوانتومی موج، گرما را در یک محل ثابت به دام انداخته و نگه می‌دارند که نتیجه‌ی آن در مجله‌ science منتشر شد. با دیپ لوک همراه باشید…

به طور معمول، گرما از طریق یک ماده‌ی رسانا نفوذ می‌یابد تا زمانی که ناپدید شود. اما دانشمندان با استفاده از اصل تقارن زمان-پادپاریته نشان داده‌اند که محدود کردن گرما به یک منطقه‌ی کوچک از یک حلقه‌ی فلزی، بدون اینکه با گذشت زمان پخش شود، امکان‌پذیر است. این پدیده‌ که به تازگی کشف شده، در آینده می‌تواند در کنترل نفوذ گرما با روش‌های پیچیده استفاده شود. به این طریق می‌توان بازدهی سیستم‌هایی که به خنک‌سازی نیاز دارند را نیز افزایش داد. دانشمندان چنین توضیح می‌دهند:

یک قطره جوهر رنگی را در جریان آب تصور کنید. بعد از مدت کوتاهی خواهید دید که جوهر در جهت جریان آب منتشر خواهد شد. حال، حالتی را تصور کنید که قطره‌ی جوهر، در حالیکه آب در اطراف آن جاری است، در همان اندازه و در همان محل، ثابت باقی بماند. این تقریبا کاری است که ما با پخش گرما در آزمایش خود انجام داده‌ایم.

چینش آزمایشگاهی این پژوهش، از دو حلقه‌ی فلزی تشکیل شده که در جهت‌ مخالف هم می‌چرخند. این دو حلقه به یکدیگر ساندویچ شده‌اند و بین آن‌ها روغن گریس قرار دارد. چرخش حلقه‌ها متناظر با جریان آب در مثال بالاست. وقتی گرما به یک نقطه تزریق می‌شود، انرژی گرمایی قادر است تا در همان جا بماند، زیرا یک حلقه‌ی در حال چرخش با حلقه‌ی دیگری که در جهت مخالف می‌چرخد، توسط اصل تقارن زمان-پادپاریته جفت شده است. شکل زیر سیستم آزمایش این پروژه را نشان می‌دهد.

برای بدست آوردن نتیجه‌ی مطلوب، این آزمایش باید با دقت بسیاری زیادی انجام شود، در غیر اینصورت، سیستم به صورت عادی رفتار کرده و گرما در جهت چرخش حلقه حرکت می‌کند. دانشمندان معتقدند با استفاده از نظریه‌ی کوانتومی می‌توان سرعت مورد نیاز برای حلقه‌ها را محاسبه کرد.

کاربرد اصول تقارن زمان-پادپاریته در سیستم‌های شامل گرما، نوعی انحراف فکری در این حوزه‌ به شمار می‌آید. دانشمندان می‌گویند:

این پژوهش، به طور کامل با موضوعات محبوب کنونی متفاوت است. در این حوزه،‌ گروه‌های بسیاری بر روی تقارن زمان-پاریته کار می‌کنند و تقریبا اکثر آن‌ها مکانیک امواج را مطالعه می‌کنند. این اولین بار است که گروهی بیرون از حوزه‌ی امواج قدم می‌گذارد و نشان می‌دهد که تقارن زمان-پادپاریته در سیستم‌های مبتنی بر نفوذ، مانند گرما نیز قابل استفاده است. نشان دادن یک محل ثابت برای گرما و داخل فلز در حال حرکت، غیرشهودی به نظر می‌رسد. قبل از این مطالعه، مردم واقعا تصور می‌کردند که این یک منطقه‌ی ممنوعه است، ولی ما می‌توانیم آن را توضیح دهیم. توضیحی که هیچ یک از قوانین فیزیک را نیز نقض نمی‌کند. در واقع، دلیلی که ما توانستیم گرما را کنترل کنیم، تعریف یک درجه‌ی آزادی اضافی (چرخش حلقه) در سیستم آزمایشی ابتکاری خودمان است. برای اینکه تقارن زمان-پادپاریته در این سیستم معنی‌دار شود، باید نوعی سود و ضرر متعادل در چینش آزمایشگاهی وجود داشته باشد. در یک سیستم نفوذ گرمای متداول، تقارن زمان-پادپاریته مهم نیست، زیرا هیچ درجه‌ی آزادی برای سود و ضرر وجود ندارد. در نتیجه، چرخش مکانیکی در این سیستم یک بازیگر کلیدی است.

فناوری‌های به‌روز بسیاری به دفع کارآمد گرما نیاز دارند. مثلا سیستم‌های مکانیکی مانند موتورها و همچنین اجزای محاسباتی و الکتریکی نیازمند خنک‌سازی‌اند. در حال حاضر، اکثر فناوری‌ها با جریان ثابت یک مایع و از طریق فرایند همرفت خنک می‌شوند. محققان قصد دارند تا در آینده اندازه‌ی این آزمایش را بزرگتر کنند. آ‌ن‌ها می‌گویند:

در حال حاضر، اندازه‌ی سیستم ما در حدود سانتی‌متر است. بنابراین ما می‌خواهیم آن را در اندازه‌ی سیستم‌های موتوری یا چرخ‌دنده‌ای (گیربکسی) واقعی محقق کنیم. سیستم‌های چرخ‌دنده‌ای معمولا ساز و کار چرخش در خلاف جهت مشابهی را دارند که باعث ایجاد گرما می‌شود. بنابراین ما امیدواریم که این نظریه را برای از بین بردن گرمای ایجاد شده بصورت کارآمدتری بکار ببریم.