Evidence for spontaneous breaking of a continuous symmetry at a non-conformal quantum critical point in one dimension

في عالم الفيزياء الكمومية الهادئ، حيث تتبع الذرات والإلكترونات قواعد غالبًا ما تتحدى حدسنا اليومي، توجد قاعدة راسخة حول كيفية تنظيم الأشياء لنفسها. لعقود من الزمن، عرف العلماء أنه في عالم مسطح ثنائي الأبعاد أو خط رفيع أحادي البعد، من المستحيل أن ينكسر التماثل المستمر تلقائيًا عند حالة التوازن. تخيل حشدًا من الناس يحاولون جميعًا مواجهة نفس الاتجاه؛ في غرفة صغيرة أو ممر ضيق، فإن التدافع المستمر والضجيج الحراري سيمنعانهم من الاستقرار أبدًا في وضع موحد واحد. تشير هذه القاعدة، المعروفة باسم مبرهنة هوهنبرغ-ميرمين-واغنر، إلى أنه في الأبعاد المنخفضة، يكون النظام دائمًا عابرًا، موجودًا فقط كهمس خاطف من الاصطفاف بدلاً من حالة صلبة لا تتزعزع. ومع ذلك، تعتمد هذه القاعدة على شروط محددة، مثل كون النظام في حالة توازن وامتلاكه لتفاعلات تتلاشى بسرعة مع المسافة. وعندما يتم تخفيف هذه الشروط، أو عندما يُدفع النظام إلى نقطة حرجة فاصلة حيث لا يكون منظمًا تمامًا ولا فوضويًا تمامًا، يمكن أحيانًا إعادة كتابة القواعد القديمة. إن فهم هذه الاستثناءات أمر بالغ الأهمية لأنها تكشف عن طرق جديدة يمكن للمادة من خلالها تنظيم نفسها، مما قد يؤدي إلى حالات غريبة من المادة يمكنها يومًا ما تشغيل تقنيات جديدة أو تعميق فهمنا لللبنات الأساسية للكون.

لقد كشف فريق من الباحثين الآن عن مثال صارخ لهذا الاستثناء في سلسلة أحادية البعد من الجسيمات. باستخدام محاكاة حاسوبية قوية، درسوا ترتيبًا محددًا من الجسيمات الدوارة، المعروف باسم سلسلة "سبين-1" (spin-1 chain)، والتي تتفاعل مع جيرانها الأقرب. يخضع هذا النظام لتوازن دقيق بين القوى: قوة جذب مغناطيسية تريد محاذاة الدورات (spins)، وقوى أخرى تحاول إبقاءها مسطحة أو موجهة بطرق محددة. كان العلماء مهتمين بشكل خاص بنقطة انتقال حيث يتحول النظام بين نوعين مختلفين من النظام المغناطيسي. في هذا الانتقال، ينكسر تماثل بسيط ثنائي الجوانب، مما يعني أن الدورات تختار بين حالتين متمايزتين. وما وجده الباحثون كان مفاجئًا ومنافيًا للبديهة: في اللحظة ذاتها التي ينكسر فيها هذا التماثل البسيط، يتشظى أيضًا تماثل مستمر أكثر تعقيدًا.

في هذه السلسلة المحددة، تمتلك الجسيمات تماثلاً مستمرًا يمنعها عادةً من الاستقرار في اتجاه ثابت في المستوى العمودي على السلسلة. وفقًا للنظرية القياسية، فإن التقلبات الكمومية المستمرة في مثل هذا الخط أحادي الببعاد يجب أن تجعل الدورات تتأرجح للأبد، مما يمنعها من الاستقرار حقًا في اتجاه واحد. ومع ذلك، أظهرت عمليات المحاكاة أنه عند النقطة الحرجة لهذا الانتقال، تتوقف هذه التأرجحات فجأة. تصطف الدورات في الاتجاه العمودي بدقة عبر السلسلة بأكملها، مما يخلق حالة من النظام طويل المدى الحقيقي. وهذا يعني أنك إذا نظرت إلى الدورة عند أحد طرفي السلسلة والدورة عند الطرف الآخر، فستجدهما يشيران إلى نفس الاتجاه، وهو إنجاز كان يُعتقد سابقًا أنه مستحيل في هذا الإطار. لاحظ الباحثون هذا الاصطفاف من خلال عدة قياسات مختلفة؛ فقد رأوا مغناطيسية ثابتة غير صفرية في الاتجاه العمودي لم تتلاشَ مع زيادة دقة المحاكاة. كما رصدوا ذروة حادة ومتميزة في طيف طاقة النظام، وهي علامة تؤكد وجود هذا النظام الصلب. علاوة على ذلك، لم تتلاشَ الارتباطات بين الدورات عبر المسافة بل ظلت ثابتة، لتعمل كجسر صلب من الاصطفاف يمتد عبر السلسلة بأكملها.

قام الفريق أيضًا بقياس سرعة انتقال الاضطرابات عبر هذه الحالة المنظمة. ووجدوا أن سرعة هذه الموجات، أو العلاقة بين طاقتها وطولها الموجي، اتبعت نمطًا محددًا. أشارت البيانات إلى قيمة للأس الديناميكي (dynamical exponent)، وهو رقم يصف كيف يتدرج الزمان والمكان معًا في النظام، تبلغ حوالي 1.50. هذه القيمة قريبة بشكل ملحوظ من قيمة معروفة من مجال مختلف تمامًا في الفيزياء: دراسة الأسطح النامية والعمليات غير المتوازنة، مثل كيفية نمو كومة من الرمل أو بلورة سائلة بمرور الوقت. إنه مصادفة نادرة ومحيرة أن تجد هذا الرقم المحدد يظهر في نظام مستقر تمامًا عند التوازن، مما يشير إلى وجود اتصال عميق وخفي بين فيزياء المادة الكمومية الساكنة وفيزياء الأنظمة الفوضوية النامية.

لفهم سبب حدوث ذلك، لجأ الباحثون إلى نماذج رياضية تصف النظام كـ "سائل مستمر" بدلاً من سلسلة من الجسيمات الفردية. وقد طوروا معادلات لتتبع كيفية سلوك النظام عند التوسع إلى مقياس كبير. وأظهرت حساباتهم أن النظام يستقر في نوع جديد من الحالات المستقرة، وهي نقطة ثابتة في المشهد الرياضي، تختلف عن الأنماط القياسية المشاهدة في الانتقالات المغناطيسية الأخرى. وبينما لم تتطابق تنبؤاتهم الرياضية تمامًا مع الأرقام من المحاكاة، إلا أن النظرية أكدت أن النظام يسلك سلوكًا متميزًا جوهريًا عن الفئات المعروفة من السلوك المغناطيسي. وتشير النظرية إلى أن الطريقة الفريدة لتفاعل الجسيمات تسمح لها بكبح الاهتزازات الكمومية المعتادة التي من شأنها أن تدمر النظام عادةً، مما يؤدي فعليًا إلى إسكات الضجيج الذي يمنع الدورات من الاصطفاف.

تتحدى هذه النتائج الحكمة التقليدية التي تقول إن كسر التماثل المستمر مستحيل في الأنظمة أحادية البعد عند التوازن. لقد أثبت الباحثون أنه من خلال ضبط التفاعلات عند نقطة حرجة دقيقة، يمكن للنظام أن يولد تلقائيًا حالة من النظام المثالي في اتجاه كان يُعتقد سابقًا أنه مستحيل. يفتح هذا الاكتشاف نافذة جديدة على سلوك المادة الكمومية، موضحًا أن حدود ما هو ممكن في الأنظمة منخفضة الأبعاد أكثر مرونة مما كان يُعتقد سابقًا. ويشير هذا إلى أن الطبيعة لديها المزيد من الحيل لإدارة المادة، حتى في أكثر البيئات تقييدًا. كما يسلط العمل الضوء على قوة الجمع بين عمليات المحاكاة الحاسوبية واسعة النطاق والنظرية الرياضية المتقدمة للكشف عن هذه الظواهر الخفية. ومن خلال مراقبة اصطفاف الدورات في المحاكاة وتأكيد ذلك بالمعادلات، قدم الفريق أدلة قوية على وجود نوع جديد من النقاط الحرجة الكمومية، حيث يؤدي كسر تماثل بسيط إلى ظهور نظام مستمر ومعقد. يمكن أن يوجه هذا الفهم التجارب المستقبلية لإنشاء ودراسة حالات مماثلة في مواد حقيقية، مثل مصفوفات الذرات أو الأنظمة المغناطيسية المتخصصة، مما قد يؤدي إلى فهم أعمق لكيفية انبثاق النظام من الفوضى في العالم الكمومي.