Fragmentation of Quantum Fluid in dipolar Bose-Einstein condensate

في أكثر زوايا الكون برودة، حيث تبرد الذرات إلى درجات حرارة لا تتجاوز همساً فوق الصفر المطلق، تسلك المادة سلوكيات تتحدى حدسنا اليومي. هنا، في مجال الفيزياء الكمومية، يمكن لسحب الغاز أن تتحول إلى كيان واحد موحد يُعرف باسم "تكاثف بوز-أينشتاين". في هذه الحالة، تفقد آلاف الذرات هوياتها الفردية وتتحرك في خطى متزامنة، لتعمل كموجة واحدة عملاقة. لقد درس العلماء لفترة طويلة كيف تتدفق هذه السوائل دون احتكاك، وهي خاصية تُسمى "الميوعة الفائقة". ومؤخراً، اكتشف الباحثون أنه تحت ظروف محددة، يمكن لهذه السواء نفسها أن تشكل أيضاً قطرات صغيرة ذاتية الاحتواء تتصرف كالسائل، ومع ذلك تظل متجمدة في نمط صلب يشبه البلورات. هذه الحالة الهجينة الغريبة، التي تمتلك تدفق السائل وبنية الصلب، تُسمى "الصلب الفائق". إن فهم كيفية تشكل هذه المواد، وما الذي يسبب تفككها أو تفتتها، أمر بالغ الأهمية لتطوير الجيل القادم من التقنيات الكمومية، من المستشعرات فائقة الدقة إلى الحواسيب المتقدمة.

لقد ألقى فريق من الباحثين في جامعة بينيت في الهند نظرة فاحصة مؤخراً على القوى التي تحكم هذا التوازن الدقيق. فقد ركزوا على نوع محدد من السوائل الكمومية المكونة من ذرات تمتلك ثنائي قطب مغناطيسي، مما يعني أنها تعمل مثل مغناطيسات قضيبية صغيرة. تتفاعل هذه الذرات المغناطيسية مع بعضها البعض عبر مسافات طويلة، مما يخلق صراعاً معقداً بين أنواع مختلفة من القوى. بعض القوى تجذب الذرات معاً، بينما تدفع أخرى بعيداً. أراد الباحثون فهم كيف يمكن لهذه الدفعات والسحبات المتنافسة، جنباً إلى جنب مع التقلبات الكمومية الطفيفة، أن تتسبب في تحول سائل سلس ومنتظم إلى سلسلة من القطرات المتميزة والمجزأة. ومن خلال إجراء عمليات محاكاة حاسوبية مفصلة، رسموا خريطة توضح بالضبط كيف يغير السائل شكله وسلوكه مع تعديلهم لقوة هذه التفاعلات.

بدأت الدراسة بنمذجة أنبوب طويل وضيق من هذا السائل الكمومي المغناطيسي. في هذه البيئة، تُضغط الذرات بشدة من الجوانب بحيث لا يمكنها التحرك بحرية إلا ذهاباً وإياباً على طول الأنبوب. أدخل الباحثون ثلاثة أنواع رئيسية من التفاعلات في نموذجهم. أولاً، كان هناك التجاذب القياسي بين الذرات الذي يحاول جعلها تتكتل معاً. ثانياً، أدرجوا قوة تنافر تنشأ عن التقلبات الكمومية، والتي تعمل مثل شبكة أمان لمنع السائل من الانهيار تماماً. ثالثاً، أخذوا في الاعتبار التنافر المغناطيسي بعيد المدى بين الذرات. ومن خلال ضبط قوة التنافر المغناطيسي مع إبقاء القوى الأخرى ثابتة، راقب الفريق ما حدث للسائل.

وجدوا أنه عندما كان التنافر المغناطيسي ضعيفاً، ظل السائل كتلة واحدة سلسة. ومع ذلك، مع زيادة الدفع المغناطيسي تدريجياً، بدأ السائل يفقد شكله المنتظم. وعند عتبة محددة، بدأت الكتلة السلسة في التفكك إلى سلسلة من القمم المنفصلة، مما يشبه عقد من اللؤلؤ. هذه العملية، المعروفة باسم "التجزؤ"، لم تحدث بشكل عشوائي. لاحظ الباحثون أن السائل طور أولاً عدم استقرار محدداً في اهتزازاته الداخلية، وهي ظاهرة حددوها بأنها "نمط روتون" (roton mode). يمكنك التفكير في هذا مثل موجة في السائل تتباطأ فجأة وتتوقف، مما يتسبب في انبعاج المادة وانطوائها على نفسها. وبمجرد أن وصل هذا الاهتزاز إلى نقطة حرجة، نظم السائل نفسه تلقائياً في نمط دوري من القطرات.

ومن الأهمية بمكان، اكتشف الفريق أن وجود قوة التقلب الكمومي ضروري لحدوث التجزؤ. فإذا أزالوا شبكة الأمان التنافرية هذه من حساباتهم، فلن ينتج السائل الهيكل المجزأ الملحوظ. وقد أكد هذا أن التفاعل بين قوى التجاذب، والتنافر المغناطيسي، والتقلبات الكمومية هو الآلية الرئيسية التي تدفع السائل للتحلل. كما لاحظ الباحثون أنه مع تجزؤ السائل بسبب زيادة التنافر المغناطيسي، انخفض جزء الميوعة الفائقة بنسبة 28% تقريباً. يشير هذا الانخفاض في الجزء إلى أن الذرات أصبحت مثبتة في مكانها، ومقيدة في الترتيب البلوري الجديد للقطرات، وهو سمة مميزة لحالة الصلب الفائق.

ثم استكشف الفريق ما سيحدث إذا قاموا بتغيير قوة قوة التجاذب التي تسحب الذرات معاً، بدلاً من التنافر المغناطيسي. في هذا السيناريو، وجدوا أن السائل يمكن أن يشكل قطرات مسطحة القمة، وهي مستقرة ومنتظمة في المركز. ومع ذلك، إذا أصبح التجاذب قوياً جداً، فإن هذه القطرات المسطحة ستصبح أيضاً غير مستقرة وتتفكك. هذه المرة، كان التفكك مدفوعاً بآلية مختلفة تسمى "عدم الاستقرار المودولي" (modulational instability). في هذه العملية، تنمو التموجات الصغيرة في السائل وتكبر حتى تنقسم القطرة الواحدة إلى عدة قطرات أصغر. لاحظ الباحثون أنه مع تجزؤ القطرات، تزداد كمية "الضجيج" الكمومي أو النقص في النظام، مما يعني بقاء عدد أقل من الذرات في الحالة المتزامنة المثالية. في هذه الحالة المحددة، ومع ذلك، ظل جزء الميوعة الفائقة ثابتاً نسبياً بالقرب من الوحدة، مما يشير إلى أن الذرات احتفظت بقدرتها على التدفق دون مقاومة حتى مع انخفاض جزء التكاثف.

أخيراً، بحث الباحثون في كيفية تأثير عدد الذرات في السائل على هذه النتائج. وجدوا أن زيادة عدد الذرات أدت في الواقع إلى دفع السائل للانتقال من شكل موضعي إلى ملف تعريف مسطح القمة، وصولاً إلى قطرات مجزأة. لوحظ هذا التأثير سواء كان التنافر المغناطيسي موجوداً أم لا، رغم أن التفاصيل المحددة لعدم الاستقرار تغيرت قليلاً في كل حالة. وفي وجود التنافر المغناطيسي، أدت إضافة المزيد من الذرات إلى كبح معدل نمو عدم الاستقرار، ومع ذلك ظهر التجزؤ مع تطور النظام. في كل سيناريو، ظل جزء الميوعة الفائقة مرتفعاً نسبياً، مما يشير إلى أنه حتى عندما تكسر السائل إلى قطع، احتفظت الذرات داخل تلك القطع باتصال قوي فيما بينها. وتخلص الدراسة إلى أن تجزؤ هذه السوائل الكمومية هو ظاهرة قوية مدفوعة بالتنافس بين القوى المختلفة، وأن فهم هذا التوازن أمر ضروري للتحكم في الانتقال بين السائل المتدفق والبلورة الصلبة الفائقة. وتوفر هذه النتائج خارطة طريق واضحة للتجريبيين الذين يحاولون إنشاء ومعالجة هذه الحالات الغريبة للمادة في المختبر.