کشف نظم پنهان در دنیای کوانتومی

 دنیای فیزیک کوانتومی همواره مملو از شگفتی‌ها و رفتارهای فراتر از درک کلاسیک ما بوده است؛ جایی که ذرات به شیوه‌هایی تعامل می‌کنند که قوانین فضا و زمان را به چالش می‌کشد، در این میان نقاط بحرانی کوانتومی بدون محدودیت (Deconfined Quantum Critical Points یا به اختصار DQCPs)، یکی از اسرارآمیزترین پدیده‌ها محسوب می‌شوند. به تازگی، پژوهشی مشترک به سرپرستی پروفسور زی یانگ مِنگ از دانشگاه هنگ‌کنگ و دانشجوی دکتری‌اش منگهان سانگ، در همکاری با دانشگاه‌های معتبر جهان، پرده از برخی رازهای این نقاط بحرانی برداشته است.

DQCP چیست؟

در زندگی روزمره، با گذارهای فازی آشنا هستیم؛ همچون تبدیل آب به یخ یا بخار که به واسطه تغییر دما رخ می‌دهد. اما در مقیاس کوانتومی، گذارهای فازی در دمای صفر مطلق و تحت تأثیر نوسانات کوانتومی اتفاق می‌افتند.

در حالت معمول، نقاط بحرانی کوانتومی مرزی میان یک فاز منظم (symmetry-broken) و یک فاز نامنظم تشکیل می‌دهند؛ همان چیزی که در قالب نظریه لاندائو به خوبی شرح داده شده است. اما DQCPها این الگو را می‌شکنند: آن‌ها بین دو فاز منظم متفاوت قرار دارند که هر کدام الگوی تقارن‌شکنی منحصر به فرد خود را دارند. این گذار غیرمعمول از یک نظم به نظم دیگر، چالشی جدی برای نظریه‌های کلاسیک به شمار می‌رود، در این پژوهش، تیم علمی از ابزار قدرتمندی به نام آنتروپی درهم‌تنیدگی (Entanglement Entropy) بهره بردند. این شاخص به اندازه‌گیری میزان اطلاعات مشترک بین بخش‌های مختلف یک سیستم کوانتومی می‌پردازد و به دانشمندان امکان می‌دهد تا ساختار پنهان سیستم‌های کوانتومی را بررسی کنند.

با استفاده از شبیه‌سازی‌های پیشرفته مونته کارلو کوانتومی و تحلیل‌های نظری دقیق، محققان رفتار آنتروپی درهم‌تنیدگی را در مدل‌های SU(N) شبکه مربعی (square-lattice SU(N) spin models) مورد مطالعه قرار دادند؛ مدلی که جوهره رفتار DQCPها را به تصویر می‌کشد.

یافته‌ای شگفت‌انگیز

نتایج نشان داد که برای مقادیر کوچک N، رفتار آنتروپی درهم‌تنیدگی با انتظارات نظری مربوط به گذارهای فازی پیوسته سازگار نیست. در عوض، الگوهای لگاریتمی غیرمعمول مشاهده شد که مرزهای نظریه‌های مرسوم را به چالش می‌کشد، اما مهم‌ترین کشف زمانی رخ داد که N از یک آستانه بحرانی فراتر رفت. در این حالت، DQCPها رفتارهایی منطبق با نقاط ثابت همریختی (Conformal Fixed Points) از خود نشان دادند؛ مفهومی که توصیف‌کننده گذارهای فازی نرم و پیوسته است.

این کشف می‌تواند پیامدهای گسترده‌ای برای علم و فناوری به همراه داشته باشد:

ماده‌های حالت عجیب: DQCPها با فازهای کوانتومی عجیب همچون مایعات اسپینی کوانتومی (Quantum Spin Liquids) مرتبط هستند؛ موادی که در حوزه‌هایی چون رایانش کوانتومی پتانسیل بالایی دارندبازنگری در فیزیک بنیادی: با به چالش کشیدن پارادایم لاندائو، این نتایج ممکن است به تدوین نظریه‌های جدید برای توضیح گذارهای فازی در سیستم‌های کوانتومی منجر شود؛ نوآوری فناورانه: دانش حاصل از این مطالعات می‌تواند در طراحی مواد جدید با ویژگی‌های منحصربه‌فرد کوانتومی نظیر ابررساناهای دمای بالا یا آهنرباهای کوانتومی کاربرد پیدا کند.

 کشف نظم پنهان در نقاط بحرانی کوانتومی بدون محدودیت، گامی بزرگ در مسیر شناخت بهتر رفتار ماده در مقیاس کوانتومی است، درک دقیق این پدیده‌ها می‌تواند راه را برای توسعه فناوری‌های نوین هموار کند و حتی دیدگاه ما درباره ماهیت بنیادی جهان را متحول سازد، این مطالعه حاصل همکاری میان پژوهشگرانی از دانشگاه هنگ‌کنگ، دانشگاه ییل، دانشگاه کالیفرنیا سانتا باربارا، دانشگاه روهر بوخوم و دانشگاه فنی درسدن بوده است و در نشریه معتبر Science Advances به چاپ رسیده است.