First-order phase transition in atom-molecule quantum degenerate mixtures with coherent three-body recombination

في مجال الفيزياء فائقة البرودة، يخلق العلماء بيئات شديدة البرودة لدرجة أن الذرات تفقد هوياتها الفردية وتبدأ في التحرك كموجة موحدة واحدة من المادة. هذه الحالة، المعروفة باسم تكاثف بوز-أينشتاين، تسمح للباحثين بدراسة ميكانيكا الكم على نطاق واسع بما يكفي لرؤيته بالعين المجردة. داخل سحب الغاز فائق البرودة هذه، يمكن للعلماء إجبار الذرات على الالتصاق معاً وتشكيل جزيئات، مما يخلق خليطاً يتعايش فيه كل من الجسيمات الفردية والجزيئات المزدوجة. عادة ما يتم التحكم في سلوك هذا الخليط من خلال كيفية تفاعل الذرات مع بعضها البعض ومع المجالات المغناطيسية الخارجية، التي تعمل كأداة ضبط لتعديل مستويات الطاقة في النظام. إن فهم كيفية انتقال هذه المخاليط بين الحالات المختلفة أمر بالغ الأهمية لأنه يفتح نافذة على القوانين الأساسية للكيمياء الكمومية، ويمكن أن يؤدي في النهاية إلى طرق جديدة للتحكم في التفاعلات الكيميائية عند مستواها الأساسي.

لقد رسم فريق من الباحثين الآن خارطة لسلوك جديد ومثير للدهشة في هذه المخاليط الذرية الجزيئية، كاشفين أن الطريقة التي تتغير بها الحالة تعتمد بشكل كبير على نوع معين من التفاعل الذي يشمل ثلاثة جسيمات في آن واحد. في السيناريوهات القياسية، عندما يقوم العلماء بضبط المجال المغناطيسي لتشجيع الذرات على تشكيل جزيئات، ينتقل النظام تدريجياً من كونه يتكون في الغالب من ذرات إلى كونه يتكون في الغالب من جزيئات. هذا التغيير السلس والمستمر يُعرف باسم الانتقال الطوري من الدرجة الثانية، وهو مشابه لكيفية ذوبان الجليد وتحوله إلى ماء دون حدوث قفزة مفاجئة في الخصائص. ومع ذلك، وجد الباحثون أنه عندما تصبح عملية تسمى "إعادة التشكيل ثلاثي الأجسام المتماسك" ذات أهمية، تتغير القواعد تماماً. فبدلاً من التحول السلس، يمر النظام بقفزة مفاجئة وحادة من حالة إلى أخرى، وهي ظاهرة تُعرف باسم الانتقال الطوري من الدرجة الأولى. يشير هذا الاكتشاف إلى أنه من خلال التحكم في كيفية اصطدام ثلاث ذرات لتشكيل جزيء وذرة متبقية، يمكن للعلماء إجبار النظام الكمومي بأكمله على الانقضاض إلى تكوين جديد بشكل فوري.

ركزت الدراسة على نموذج نظري لغاز يحتوي على عدد محدد من الذرات، حوالي 800 ذرة، محتجزة في حجم صغير. قام الباحثون بمحاكاة سلوك هذا الغاز من خلال مراعاة قوتين رئيسيتين: الاقتران المغناطيسي القياسي الذي يحول ذرتين إلى جزيء، وإعادة التشكيل ثلاثي الأجسام المتماسك حيث تتفاعل ثلاث ذرات لإنشاء جزيء وذرة حرة في وقت واحد. عندما كان التفاعل ثلاثي الأجسام ضعيفاً، تصرف النظام كما هو متوقع، مظهراً الانتقال التدريجي. ولكن مع زيادة قوة التفاعل ثلاثي الأجسام، تغير شكل مشهد الطاقة في النظام. فبدلاً من وجود وادٍ واحد يستقر فيه النظام بشكل طبيعي، طور مشهد الطاقة بنية "بئر مزدوج"، مما خلق واديين متميزين يفصل بينهما تلة. مثل أحد الواديين حالة تكون فيها جميع الجسيمات تقريباً جزيئات، بينما مثل الآخر حالة تكون فيها الجسيمات معظمها ذرات.

بنية البئر المزدوج هذه هي المفتاح لفهم القفزة المفاجئة. فبينما كان الباحثون يعدلون طاقة النظام، لم تنزلق الحالة الأدنى طاقة بسلاسة من وادٍ إلى آخر، بل ظل النظام عالقاً في الوادي الجزيئي حتى وصلت الحالة إلى نقطة حرجة، عندها سقط فجأة في الوادي الذري. هذا الهبوط المفاجئ في عدد الجزيئات هو العلامة المميزة للانتقال من الدرجة الأولى. أظهرت عمليات المحاكاة أن هذا السلوك يستمر حتى عندما لا يكون التفاعل ثلاثي الأجسام قوياً بشكل طاغٍ، مما يشير إلى أنه يمكن ملاحظته في التجارب المختبرية الحالية. وقد أشار الباحثون إلى أن الظروف في تجارب حديثة باستخدام ذرات السيزيوم كانت بالفعل قريبة من تلك المطلوبة لرؤية هذا التأثير، مما يجعل التنبؤ ذا صلة وثيقة بالأعمال الجارية.

بعيداً عن التحول المفاجئ، اكتشف الباحثون أن هذا النوع الجديد من الانتقال يخلق حالة من "الاستقرار الثنائي"، حيث يمكن للنظام أن يوجد في تكوينين مختلفين في نفس الوقت، اعتماداً على تاريخه. في المنطقة الواقعة بين الواديين، تصبح الحالة الجزيئية "شبه مستقرة"، مما يعني أنها يمكن أن تستمر لفترة طويلة حتى مع وجود حالة ذات طاقة أدنى في مكان قريب. وهذا يتناقض بشكل صارخ مع السيناريو القياسي، حيث تصبح الحالة الجزيئية غير مستقرة وتنهار فور تغير الظروف. اقترح الباحثون أنه يمكن إثبات هذه الحالة شبه المستقرة في المختبر عن طريق تحضير الغاز في حالة جزيئية ثم تغيير المجال المغناطيسي بسرعة إلى نقطة يُفترض نظرياً أن النظام غير مستقر عندها. وفي وجود التفاعل ثلاثي الأجسام القوي، سيظل الغاز في الحالة الجزيئية لفترة زمنية قابلة للقياس، متحدياً بذلك الانهيار الفوري المشاهد في الأنظمة الأبسط.

كما سلطت الدراسة الضوء على اتصال عميق بين هذا الانتقال المفاجئ و"التشابك الكمومي"، وهي ظاهرة تصبح فيها الجسيمات مرتبطة ببعضها ارتباطاً وثيقاً بغض النظر عن المسافة. بالقرب من النقطة التي يحدث عندها الانتقال، لا يختار النظام ببساطة حالة واحدة أو أخرى؛ بل يوجد في حالة تراكب معقدة لكليهما. وجد الباحثون أن الذرات والجزيات تصبح متشابكة للغاية، مكونة حالة تشبه نسخة عيانية (ماكروسكوبية) من "قطة كوانتوم"، حيث يوجد النظام في آن واحد في تكوينين متميزين. هذا المستوى من التشابك أقوى بكما هو ملاحظ في الانتقالات القياسية، مما يوفر طريقة جديدة لتوليد والتحكم في الحالات الكمومية واسعة النطاق. وقد أظهر أن درجة هذا التشابك تعتمد على عدد الجسيمات في النظام، حيث تؤدي الأعداد الأكبر إلى تأثيرات أكثر وضوحاً.

تمتد آثار هذه النتائج إلى ما هو أبعد من مجرد فهم الانتقالات الطورية. إن القدرة على التحكم في رتبة الانتقال، والتبديل بين التغيير السلس والقفزة المفاجئة، توفر أداة جديدة قوية لهندسة الحالة الكمومية. ومن خلال ضبط قوة التفاعلات ثلاثية الأجسام، يمكن للعلماء تقنياً تصميم أنظمة تعمل كمفاتيح أو عناصر ذاكرة للمعلومات الكمومية. وأكد الباحثون أنه على الرغم من أن نتائجهم مستمدة من عمليات المحاكاة، إلا أن المعايير المستخدمة تقع ضمن نطاق القدرات التجريبية الحالية. واقترحوا أن التجارب المستقبلية يمكنها التحقق من هذه التنبؤات عن طريق استخدام منحدرات المجال المغناطيسي لدفع النظام عبر نقطة الانتقال ومراقبة التغيرات المفاجئة في تعداد الذرات والجزيئات.

في نهاية المطاف، يكشف هذا العمل أن إعادة التشكيل الثلاثي الأجسام المتماسك ليست مجرد مصدر للفقد أو الضجيج في الغازات فائقة البرودة، كما كان يُعتقد سابقاً، بل هي محرك أساسي للديناميكيات الكمومية المعقدة. إنها تقدم آلية جديدة للتحكم في التفاعلات الكيميائية عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، مما يسمح بخلق حالات لا يمكن الوصول إليها بطرق أخرى. إن اكتشاف الانتقال من الدرجة الأولى وما يصاحبه من حالة شبه استقرار يفتح فصلاً جديداً في دراسة المادة الكمومية، حيث يمكن استخدام التفاعل بين أنواع مختلفة من تفاعلات الجسيمات لتشكيل سلوك المادة بدقة وبطرق غير متوقعة. وبينما يستمر الباحثون في استكشاف هذه الأنظمة، فإن إمكانية التلاعب بالمسارات الكيميائية وإنشاء مواد كمومية جديدة تنمو، مدفوعة بالإدراك البسيط والعميق بأن تفاعل ثلاثة جسيمات معاً يمكن أن يغير قواعد اللعبة للجميع.