Exploring Dynamical Quantum Phase Transitions via the Dynamical Phase Accumulated at an Equilibrium Critical Point

في العالم الكمي، لا تستقر المادة دائمًا في حالة واحدة ثابتة لا تتغير. بدلاً من ذلك، يمكنها التحول بشكل مفاجئ بين حالات مختلفة، تمامًا كما يتجمد الماء ليصبح ثلجًا أو يغلي ليصبح بخارًا. هذه التحولات، المعروفة باسم الانتقالات الطورية، تحدث عادةً عندما يتم تبريد النظام أو تسخينه ببطء شديد، مما يسمح له بالتكيف بسلاسة. ومع ذلك، اكتشف الفيزيائيون نوعًا أكثر دراماتيكية من الانتقال، لا يحدث في درجة الحرارة، بل في الزمن. فعندما يتعرض نظام كمي لصدمة مفاجئة تخرجه عن حالة التوازن بسبب تغير سريع في بيئته، يمكنه الخضوع لانتقال طوري ديناميكي. ويتميز هذا الحدث بتغير حاد ومفاجئ في كيفية سلوك النظام أثناء تطوره، مما يكشف عن بنية خفية في حركته تكون غير مرئية عندما تكون الأمور هادئة. لسنوات، درس العلماء هذه الانتقالات من خلال مراقبة كيفية استجابة النظام لدَفعة واحدة حادة. لكن دراسة جديدة تشير إلى أن القصة أكثر تعقيدًا بكثير إذا أوقفنا العمل عند لحظة عدم الاستقرار تمامًا.

لقد استكشف الباحثون الآن ما يحدث عندما لا يتم مجرد دفع النظام، بل إيقافه مؤقتًا عند النقطة الحرجة حيث يكون في قمة عدم استقراره. وباستخدام نموذج نظري لسلسلة من الذرات المغناطيسية، قام الفريق بمحاكاة عملية يتم فيها دفع النظام نحو نقطة تحول، والاحتفاظ به هناك لفترة زمنية محددة، ثم دفعه بعيدًا. تسمح فترة الانتظار هذه للنظام بتراكم إزاحة طفيفة وغير مرئية في إيقاعه الداخلي، تُعرف بالطور الديناميكي. وتكشف الدراسة، التي أجراها فريق من جامعة ساوث ويست للبترول، وجامعة سيشوان الزراعية، وجامعة سيشوان، أن هذه الوقفة القصيرة تعيد كتابة قواعد الانتقال بشكل جذري. ومن خلال ضبط طول مدة الانتظار هذه، وجد الباحثون أن بإمكانهم إجبار النظام على إظهار انتقال واحد حاد، أو، ومن المثير للدهشة، سلسلة كاملة منها.

بدأت التجربة بسلسلة من الذرات التي تتصرف مثل مغناطيسات صغيرة، كانت في البداية مصطفة في اتجاه واحد. قام الباحثون بمحاكاة عملية يتم فيها تغيير المجال المغناطيسي المؤثر على هذه الذرات ببطء لدفع النظام نحو نقطة حرجة، وهي إعداد محدد تكون فيه الذرات على وشك قلب اصطفافها. وبدلاً من المرور عبر هذه النقطة فورًا، أبقت المحاكاة النظام هناك لفترة زمنية محددة. وخلال هذه الوقفة، لم تكن الذرات ساكنة؛ بل استمرت في التطور، مجمعةً إزاحة طورية تعتمد كليًا على مدة انتظار النظام. وعندما تم تغيير المجال أخيرًا لإكمال الانتقال، حملت الحالة النهائية للنظام ذاكرة تلك الوقفة. لاحظ الباحثون أن الطور المتراكم عمل مثل مفتاح ضبط، مما خلق نمطًا من التداخل في سلوك النظام.

في السيناريو القياسي، حيث يتم دفع النظام عبر النقطة الحرجة دون توقف، يتميز الانتقال بنمط واحد مهيمن من عدم الاستقرار. إنه حدث مباشر حيث يتغير سلوك النظام بشكل حاد في لحظة زمنية محددة. ومع ذلك، تظهر النتائج الجديدة أن إدخال وقت انتظار عند النقطة الحرجة يغير هذه الصورة تمامًا. فمع زيادة وقت الانتظار، يتسبب الطور المتراكم في تذبذب النظام. وتخلق هذه التذبذبات نقاطًا متعددة يصبح فيها النظام غير مستقر، مما يؤدي فعليًا إلى تقسيم الانتقال الواحد إلى عدة أحداث متميزة. وقد حدد الباحثون نظامين متميزين: أحدهما يعمل بنمط حرج واحد، والآخر يظهر أنماطًا حرجة متعددة. ويتم تحديد الحدود بين هاتين الحالتين من خلال الطول الدقيق للانتظار وسرعة الدفعة الأولية.

تقدم الدراسة خريطة مفصلة لكيفية تفاعل هذه الأنظمة. فعندما يتم دفع النظام بسرعة كبيرة، يحدث الانتقال من النمط الواحد إلى الأنماط المتعددة عند وقت انتظار محدد وثابت. وعندما تكون الدفعة بطيئة، ينمو وقت الانتظار المطلوب بطريقة يمكن التنبؤ بها، متبعًا قانون قياس يربط بين مدة الانتظار وسرعة الدفعة. والأهم من ذلك، وجد الباحثون أنه عند الحد الفاصل بالضبط حيث يتحول النظام من امتلاك نمط حرج واحد إلى أنماط عديدة، فإن طبيعة الانتقال نفسه تتغير. ففي نظام النمط الواحد، يمتلك منحنى استجابة النظام زاوية خطية حادة، تشبه النقطة التي ينعطف فيها الطريق فجأة. ولكن عند الحد الفاصل، تصبح هذه الزاوية ناعمة لتأخذ شكلًا مختلفًا، حيث يصبح الميل فيه شديد الانحدار بشكل لانهائي. وهذا التحول الرياضي يعني أن رد فعل النظام يصبح أكثر حساسية وتطرفًا في تلك اللحظة المحددة.

وللتأكد من أن هذه النتائج ليست فريدة لنموذجهم الخاص، كرر الفريق التحليل باستخدام نوع آخر من الأنظمة الكمية يُعرف بنموذج "سو-شريفر-هيجر" الممتد، والذي يصف حركة الإلكترونات عبر سلسلة من الذرات ذات المسافات المتغيرة. كانت النتائج متطابقة: وقت الانتظار عند النقطة الحرجة كان يتحكم في عدد الانتقالات، والحدود بين النمط الواحد والأنماط المتعددة أظهرت نفس التغيير في السلوك. يشير هذا الاتساق إلى أن الظاهرة هي سمة أساسية للأنظمة الكمية التي تمر عبر النقاط الحرجة، وليست مجرد نتاج عرضي لإعداد معين. كما لاحظ الباحثون أنه إذا تم الإبقاء على النظام عند نقطة بعيدة عن عدم الاستقرار الحرج، فإن التأثير سيكون أضعف بكثير أو يختفي تمامًا، مما يؤكد أن النقطة الحرجة نفسها ضرورية لتراكم هذا الطور.

تمتد تداعيات هذا العمل إلى ما هو أبعد من مجرد فهم سلسلة معينة من الذرات. فمن خلال إظهار أن وقفة بسيطة يمكن أن تعيد هيكلة طبيعة الانتقال الطوري ذاتها، تقدم الدراسة طريقة جديدة للتحكم في الأنظمة الكمية. إنها تشير إلى أنه من خلال ضبط مدة انتظار النظام عند لحظة حرجة بعناية، يمكن للعلماء نظريًا هندسة أنظمة ليكون لها نقاط انتقال متعددة ومتميزة أو كبتها تمامًا. كما توضح البحث العلاقة بين سرعة التغيير والسلوك الناتج، مما يسد الفجوة بين التحولات المفاجئة والصادمة وبين التحولات البطيئة والتدريجية. ورغم أن النتائج تعتمد حاليًا على عمليات محاكاة نظرية، إلا أنها توفر خارطة طريق واضحة للتجارب المستقبلية. ومع تقدم المحاكيات الكمية التي تستخدم الأيونات المحاصرة والدوائر فائقة التوصيل، ستكون قادرة على اختبار هذه التنبؤات مباشرة، مما يفتح الباب أمام طرق جديدة للتلاعب بالعالم الكمي من خلال فعل الانتظار البسيط.