Rotation Breaks Kibble-Zurek Universality

عندما تتغير مادة ما من حالة من حالات المادة إلى أخرى، مثل تجمد الماء ليصبح جليداً، فإن ذلك لا يحدث دائماً بشكل مثالي في كل مكان في وقت واحد. بدلاً من ذلك، غالباً ما يبدأ هذا التحول في جيوب صغيرة تنمو وتندمج في النهاية. وإذا حدث هذا الانتقال بسرعة، فقد لا تتفق الجيوب المختلفة على كيفية ترتيب نفسها، مما يترك وراءها ندوباً أو عيوباً دائمة حيث تصطدم ببعضها البعض. في العالم الكمومي، حيث تتصرف الجسيمات كأمواج، يمكن أن تظهر هذه العيوب على شكل دوامات صغيرة تُسمى "فورتيكس" (vortices). لعقود من الزمن، اعتمد الفيزيائيون على مجموعة من القواعد تُعرف باسم "آلية كيبل-زوريك" للتنبؤ بعدد هذه الدوامات. تشير هذه الإطار العملي إلى أن سرعة التغيير تحدد عدد العيوب: فالتغيير الأسرع يترك المزيد من الندوب، بينما يسمح التغيير الأبطأ للنظام بالاستقرار بشكل أكثر سلاماً. وقد تم اختبار هذه الفكرة وتأكيدها في أنظمة مختلفة، من السوائل الفائقة إلى النماذج الأولى للكون، مما جعلها حجر الزاوية في فهمنا لكيفية انبثاق النظام من الفوضى.

ومع ذلك، تشير دراسة جديدة إلى أن هذه القاعدة الراسخة لديها نقطة عمياء كبيرة. فقد اكتشف الباحثون أنه إذا كان الوعاء الذي يحوي المائع الكمومي يدور، فإن قواعد اللعبة تتغير تماماً. ومن خلال محاكاة تشكل "تكاثف بوز-أينشتاين" — وهو حالة نادرة من المادة تعمل فيها الذرات كموجة كمومية واحدة — داخل مصيدة دوارة، وجد الفريق أن دوران الوعاء يطغى على التنبؤات المعتادة. فبدلاً من اعتماد عدد الدوامات على سرعة حدوث الانتقال، يفرض الدوران على المائع إنشاء عدد محدد من الدوامات يتوافق مع سرعة الدوران، بغض النظر عن معدل التبريد. هذا الاكتشاف يتحدى عالمية "آلية كيبل-زوريك" ويكشف أن مجرد لفة بسيطة للمصيدة يمكن أن تعمل كتحكم رئيسي لسلوك هذه الأنظمة الكمومية.

استخدم الباحثون، من خلال عمليات محاكاة حاسوبية لسحابة ذرية ثنائية الأبعاد، لتجربة ما يحدث عندما يتم تبريد هذا الغاز الكمومي لتشكيل تكاثف بينما المصيدة تدور بالفعل. في السيناريو الأول، حافظوا على سرعة دوران ثابتة مع تغيير الظروف بسرعة لتحفيز انتقال الطور. ولاحظوا أن الحركة الدورانية خلقت انحيازاً قوياً، مما فضل تشكيل دوامات تدور في نفس اتجاه الوعاء مع كبح تلك التي تدور في الاتجاه المعاكس. ونتيجة لذلك، لم يتحدد العدد الإجمالي للدوامات من خلال سرعة عملية التبريد، كما يتنبأ النظرية المعتادة، بل استقر العدد بالقرب من قيمة تمليها سرعة الدوران نفسها، وهي علاقة تُعرف بـ "حد فاينمان-أونسجر". فكلما زادت سرعة دوران المصيدة، ظهر عدد أكبر من الدوامات، واختفت العلاقة المعتادة بين سرعة التبريد وعدد العيوب. بدا أن النظام يتجاهل زمن "التجميد" الذي يحكم هذه الانتقالات عادةً، مدفوعاً بدلاً من ذلك بالزخم الزاوي للمصيدة.

ولاختبار ما إذا كان هذا يمثل خرقاً جوهرياً للنظرية أم تأثيراً خاصاً بالإعداد التجريبي، جرب الفريق نهجاً ثانياً. في هذه النسخة، بدأوا بمصيدة غير دوارة وزادوا سرعة الدوران ببطء في نفس الوقت الذي قاموا فيه بتبريد الغاز. هذا الرفع المتزامن للدوران والتبريد غير النتيجة بشكل كبير. فعندما تم زيادة الدوران ببطء جنباً إلى جنب مع التبريد، تصرف النظام بشكل يشبه إلى حد كبير ما تتنبأ به النظرية القياسية؛ حيث اتبع عدد الدوامات النمط المتوقع بناءً على سرعة التبريد، وظلت قوانين القياس العالمية صامدة، على الأقل عند سرعات الدوران المنخفضة. أثبتت هذه المقارنة أن العامل الرئيسي لم يكن مجرد وجود الدوران، بل توقيت شعور النظام بهذا الدوران. فإذا تعرضت الذرات لدوران قوي في اللحظة التي بدأ فيها الانتقال، انهارت القواعد القياسية، أما إذا تم إدخال الدوران تدريجياً، فقد امتلكت الذرات وقتاً للتكيف، وظلت القوانين العالمية قائمة.

كما بحثت الدراسة فيما يحدث لهذه الدوامات بعد اكتمال الانتقال. في عمليات المحاكاة، لم ترتب الدوامات نفسها في شبكة مثالية تشبه قرص العسل، والتي يسميها الفيزيائيون "شبكة أبريكوسوف"، وهي الحالة المثالية للسائل الفائق الدوار. بدلاً من ذلك، استقرت في ترتيب زجاجي مضطرب. لقد خلق حواف الوعاء والعدد المحدد من الدوامات نوعاً من "الإحباط" (frustration)، مما منعها من إيجاد نظام مثالي. ومع ذلك، وجد الباحثون أنه إذا أضافوا قوة تثبيت خارجية لطيفة — مثل نمط دقيق من الضوء لتثبيت الذرات في مكانها — يمكن دفع الدوامات المضطربة لتشكيل تلك الشبكة المنتظمة والمثالية. وهذا يشير إلى أنه بينما تؤدي عملية التبريد الطبيعية في مصيدة دوارة إلى الاضطراب، فإن القليل من التوجيه الإضافي يمكن أن يستعيد الهيكل المثالي، حتى عند سرعات الدوران المنخفضة.

تقدم هذه النتائج طريقة جديدة للتفكير في التحكم في المادة الكمومية. توضح الدراسة أن الدوران ليس مجرد حالة خلفية سلبية، بل هو أداة نشطة يمكن استخدامها لتوجيه نتيجة انتقال الطور. فمن خلال ضبط الدوران، يمكن للعلماء اختيار ما إذا كانوا سيتبعون القوانين العالمية لتشكل العيوب أو فرض حالة محددة يمليها الزخم الزاوي. هذا التصور يعمق فهمنا لكيفية كسر التماثل في العالم الكمومي ويوفر "مقبضاً" عملياً للتحكم في الديناميكيات الحرجة لتكاثفات بوز-أينشتاين. وتبرز النتائج، المستمدة من عمليات محاكاة حاسوبية مفصلة باستخدام معادلة "غروس-بيكريسكي-بايلي" العشوائية، أن التفاعل بين التقلبات العشوائية لنظام التبريد والمتطلبات الماكروسكوبية للدوران يخلق رقصة معقدة من النظام والفوضى، وهي رقصة لم تستطع القواعد القديمة التنبؤ بها بالكامل.