Stochastic transport of a Goldstone mode in a self-organized atomic crystal

في المشهد الشاسع للفيزياء الحديثة، ثمة موضوع متكرر يتمثل في كيفية انبثاق النظام من الفوضى. فعندما يستقر نظام ما في حالة مستقرة، فإنه غالبًا ما يختار تكوينًا محددًا، كاسرًا بذلك تماثلاً جوهريًا سمح له سابقًا بأن يكون في أماكن كثيرة في آن واحد. تخيل قلم رصاص متوازن بدقة على سنه؛ إنه متماثل في جميع الاتجاهات. وفي اللحظة التي يسقط فيها، يجب أن يختار اتجاهًا واحدًا، كاسرًا ذلك التماثل. وفي العالم الكمي، تخلق عملية "كسر التماثل التلقائي" هذه نمطًا مميزًا عديم الكتلة يُعرف باسم "نمط غولدستون" (Goldstone mode). لعقود من الزمن، تمكن العلماء من اكتشاف هذه التموجات عبر الاستماع إلى الطاقة التي تنبعث منها أو مراقبة كيفية اهتزازها، تمامًا مثل تحديد نوتة موسيقية من خلال طبقة صوتها. ومع ذلك، ظل هناك سؤال جوهري بلا إجابة: ماذا يحدث عندما يُترك هذا التموج ليتجول بمفرده؟ هل ينجرف عشوائيًا، مثل ورقة شجر في مجرى مائي، أم أنه يتحرك بطريقة منسقة؟ حتى الآن، كان تتبع الحركة الفعلية لهذا التموج الكمي المراوغ في الوقت الفعلي، بينما تتقاذفه الضوضاء الطبيعية للكون، أمرًا بعيد المنال.

لقد حل فريق من الباحثين هذا اللغز عبر بناء كون مصغر ومكتفٍ ذاتيًا داخل تجويف بصري حلقي الشكل. ملأوا هذا الحلق بسحابة من ذرات الروبيديوم وسلطوا شعاع ليزر من خلاله. وتحت الظروف المناسبة، لم تبقَ الذرات غازًا غير منظم؛ بل رتبت نفسها تلقائيًا في بنية بلورية صلبة، حيث حبست نفسها في شبكة من الضوء ولّدتها بشكل جماعي. تمتلك هذه البلورة المصنوعة ذاتيًا خاصية فريدة: نظرًا لأن الحلقة دائرية تمامًا، يمكن للبلورة أن تستقر عند أي نقطة على طول الدائرة بكل سهولة، إذ ليس لها موضع بدء مفضل. أدرك الباحثون أن موضع هذه البلورة على طول الحلقة مرتبط مباشرة بـ "طور" (phase) الضوء داخل التجويف. ومن خلال قياس الضوء المتسرب من الحلقة بدقة متناهية، استطاعوا مراقبة تغير موضع البلورة في الوقت الفعلي، مما مكنهم فعليًا من تتبع حركة نمط غولدستون نفسه.

ما رصدوه كان شكلاً من أشكال الحركة التي تتحدى القواعد المعتادة للانتشار. في السيناريو التقليدي، مثل قطرة حبر تنتشر في الماء، تتحرك الجسيمات الفردية بشكل مستقل، فتتصادم مع بعضها البعض وتتيه في اتجاهات عشوائية. وجد الباحثون أنه في هذه البلورة الذرية، لم تتحرك الذرات بشكل مستقل على الإطلاق، بل تحركت كجسم واحد صلب. جاءت القوة الدافعة لهذه الحركة من الارتجاجات الأساسية والحتمية الناتجة عن تشتت الفوتونات عن الذرات. في كل مرة تشتت فيها ذرة فوتونًا، كانت تتلقى "ركلة" صغيرة. وفي الغاز العادي، كانت هذه الركلات ستؤدي إلى تطاير الذرات الفردية بعيدًا، أما هنا، فقد كانت الذرات مترابطة بإحكام شديد بفعل شبكة الضوء التي ولّدتها ذاتيًا، بحيث إن الركلة التي تتلقاها ذرة واحدة كانت تُوزع على المجموعة بأكملاء. وهكذا، انزلقت البلورة بأكملها على طول الحلقة، مدفوعة بهذه الركلات العشوائية ولكنها متباطئة بفعل قوة تشبه الاحتكاك ناتجة عن التأخر في استجابة الضوء.

قاس الفريق سرعة انجراف هذه البلورة بمرور الوقت واكتشفوا نمطًا مثيرًا للاهتمام. فكلما أضافوا المزيد من الذرات إلى البلورة، تباطأ الانجراف بشكل كبير. وتحديدًا، انخفض معدل الانتشار بنسبة تتناسب طرديًا مع عدد الذرات؛ فإذا ضاعفوا عدد الذرات، تتحرك البلورة بنصف السرعة. أكد هذا أن المجموعة بأكملها كانت تعمل كجسم واحد ضخم وموحد وليس كمجموعة من الجسيمات المستقلة. كما قام الباحثون بضبط الاحتكاك عبر تعديل خصائص ضوء الليزر. وعندما جمعوا بين قياسات كيفية تغير السرعة مع عدد الذرات وقوة الاحتكاك، تلاقت جميع نقاط بياناتهم على منحنى عالمي واحد. أظهر هذا أن السلوك كان محكومًا بقانون بسيط وأساسي، بغض النظر عن التفاصيل المحددة للإعداد التجريبي.

يمثل هذا العمل تحولًا من مجرد مراقبة البصمات الطاقية لكسر التماثل إلى المراقبة المباشرة للحركة الناتجة عنها. لقد أثبت الباحثون أن "نمط غولدستون"، الذي كان يُفهم سابقًا فقط كسمة طيفية، يمكن التعامل معه كجسم ميكانيكي يمكن التحكم فيه. كما أظهروا أنه في نظام مدفوع ومبدد للطاقة (dissipative system)، حيث يتم ضخ الطاقة وفقدانها باستمرار، يمكن تتبع الحركة الجماعية لآلاف الذرات بدقة عالية. وتفند هذه النتائج فكرة أن هذه الذرات تتحرك بشكل مستقل في بيئة سلبية؛ بل هي مترابطة معًا بواسطة الضوء الذي تخلقه هي نفسها. كما تناولت الدراسة حدود هذا السلوك، مشيرة إلى أنه إذا ارتفعت حرارة النظام كثيرًا أو طال وقت المراقبة، فإن البلورة تذوب في النهاية وينهار النظام المرتب. ومع ذلك، ضمن النافذة المستقرة التي رصدوها، تحركت الذرات بصلابة جماعية حولت مفهومًا نظريًا إلى واقع ملموس وقابل للقياس.

من خلال ربط الطور المجرد لمجال كمي بالموضع الفيزيائي لبلورة، خلق الباحثون أداة جديدة لدراسة كيفية سلوك المادة الكمية بعيدًا عن حالة التوازن. تتيح هذه المنصة للعلماء استقصاء كيفية تشكل العيوب، وكيفية انتقال "الفونونات" (الاهتزازات)، وكيفية الحفاظ على النظام في الأنظمة التي تتعرض باستمرار للدفع والسحب. إن القدرة على مشاهدة نمط غولدستون وهو يتجول عبر كامل نطاق احتمالاته توفر نافذة مباشرة على ميكانيكا كسر التماثل. إنها تحول ظاهرة كمية كانت ذات يوم غير مرئية إلى رحلة مرئية يمكن تتبعها، كاشفةً أنه حتى في الرقصة الفوضوية للتقلبات الكمية، يمكن للمادة أن تجد طريقها للتحرك ككيان واحد.