Rotation Breaks Kibble-Zurek Universality

जब कोई पदार्थ एक अवस्था से दूसरी अवस्था में बदलता है, जैसे कि पानी का बर्फ में जमना, तो यह हमेशा हर जगह एक साथ पूरी तरह से नहीं होता है। इसके बजाय, यह अक्सर छोटी जेबों (pockets) में शुरू होता है जो बढ़ती हैं और अंततः आपस में मिल जाती हैं। यदि यह परिवर्तन तेजी से होता है, तो विभिन्न जेबें आपस में कैसे व्यवस्थित होनी चाहिए, इस पर सहमत नहीं हो पातीं, जिससे उनके टकराने वाली जगहों पर स्थायी निशान या दोष (defects) रह जाते हैं। क्वांटम दुनिया में, जहाँ कण तरंगों की तरह व्यवहार करते हैं, ये दोष छोटे भंवरों के रूप में दिखाई दे सकते हैं जिन्हें 'वोर्टेक्स' (vortices) कहा जाता है। दशकों से, भौतिक विज्ञानी इन भंवरों की संख्या का अनुमान लगाने के लिए 'किबल-ज़ुरेक तंत्र' (Kibble-Zurek mechanism) के रूप में ज्ञात नियमों के एक सेट पर भरोसा करते रहे हैं। यह ढांचा बताता है कि परिवर्तन की गति ही दोषों की संख्या निर्धारित करती है: एक तेज़ परिवर्तन अधिक निशान छोड़ता है, जबकि एक धीमी प्रक्रिया प्रणाली को अधिक शांति से व्यवस्थित होने की अनुमति देती है। इस विचार का परीक्षण किया गया है और कई अलग-अलग प्रणालियों में इसकी पुष्टि की गई है, जैसे कि सुपरफ्लुइड्स से लेकर ब्रह्मांड के शुरुआती मॉडल तक, जो इसे अव्यवस्था से व्यवस्था के उदय के बारे में हमारी समझ का एक आधार स्तंभ बनाता है।

हालाँकि, एक नया अध्ययन सुझाव देता है कि इस लंबे समय से चले आ रहे नियम में एक महत्वपूर्ण कमी है। शोधकर्ताओं ने पाया है कि यदि क्वांटम तरल को थामने वाला पात्र घूम रहा है, तो खेल के नियम पूरी तरह से बदल जाते हैं। एक बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट (Bose-Einstein condensate)—जो पदार्थ की एक दुर्लभ अवस्था है जहाँ परमाणु एक एकल क्वांटम तरंग की तरह कार्य करते हैं—को एक घूमते हुए ट्रैप के भीतर बनने का अनुकरण (simulate) करते हुए, टीम ने पाया कि कंटेनर का घूमना सामान्य भविष्यवाणियों को दरकिनार कर देता है। इसके बजाय, भंवरों की संख्या इस बात पर निर्भर नहीं करती कि संक्रमण कितनी तेजी से हुआ, बल्कि घूमता हुआ पात्र तरल को एक विशिष्ट संख्या में वोर्टेक्स बनाने के लिए मजबूर करता है जो घूमने की गति से मेल खाते हैं, चाहे शीतलन (cooling) की दर कुछ भी हो। यह खोज किबल-ज़ुरेक तंत्र की सार्वभौमिकता को चुनौती देती है और बताती है कि ट्रैप का एक साधारण घुमाव इन क्वांटम प्रणालियों के व्यवहार के लिए एक मास्टर कंट्रोल के रूप में कार्य कर सकता है।

शोधकर्ताओं ने परमाणुओं के एक द्वि-आयामी (two-dimensional) बादल के कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ काम करते हुए यह देखने का प्रयास किया कि क्या होता है जब इस क्वांटम गैस को कंडेनट बनाने के लिए ठंडा किया जाता है जबकि कंटेनर पहले से ही घूम रहा हो। अपने पहले परिदृश्य में, उन्होंने रोटेशन की गति को स्थिर रखा और चरण संक्रमण (phase transition) को ट्रिगर करने के लिए स्थितियों को तेजी से बदला। उन्होंने देखा कि घूमने वाली गति ने एक मजबूत झुकाव पैदा किया, जिससे उन भंवरों के निर्माण को बढ़ावा मिला जो कंटेनर की दिशा में घूमते हैं, जबकि विपरीत दिशा में घूमने वाले भंवरों को दबा दिया गया। परिणामस्वरूप, बनने वाले वोर्टेक्स की कुल संख्या शीतलन प्रक्रिया की गति द्वारा निर्धारित नहीं थी, जैसा कि मानक सिद्धांत भविष्यवाणी करता है। इसके बजाय, गणना स्वयं रोटेशन की गति द्वारा निर्धारित मान के करीब स्थिर हुई, जिसे 'फेनमैन-ओन्सेगर सीमा' (Feynman-Onsager limit) के रूप में जाना जाता है। ट्रैप जितना तेज़ घूमता था, उतने ही अधिक वोर्टेक्स दिखाई देते थे, और शीतलन गति और दोषों की संख्या के बीच का सामान्य संबंध गायब हो गया। प्रणाली ने उस "फ्रीज-आउट" समय को अनदेखा कर दिया जो आमतौर पर इन संक्रमणों को नियंत्रित करता है, और इसके बजाय ट्रैप के कोणीय संवेग (angular momentum) द्वारा संचालित हुई।

यह परीक्षण करने के लिए कि क्या यह सिद्धांत का एक मौलिक उल्लंघन था या सेटअप का एक विशिष्ट प्रभाव, टीम ने एक दूसरा दृष्टिकोण अपनाया। इस संस्करण में, उन्होंने एक गैर-घूमते हुए ट्रैप से शुरुआत की और ठीक उसी समय स्पिन (spin) को धीरे-धीरे बढ़ाया जब वे गैस को ठंडा कर रहे थे। रोटेशन और कूलिंग को एक साथ धीरे-धीरे बढ़ाने वाले इस समानांतर बदलाव ने परिणाम को काफी बदल दिया। जब रोटेशन को कूलिंग के साथ धीरे-धीरे बढ़ाया गया, तो प्रणाली ने बहुत अधिक वैसा ही व्यवहार किया जैसा कि मानक सिद्धांत भविष्यवाणी करता है। वोर्टेक्स की संख्या शीतलन की गति पर आधारित अपेक्षित पैटर्न का पालन करती थी, और सार्वभौमिक स्केलिंग नियम भी कम रोटेशन की गति पर सही साबित हुए। इस तुलना ने सिद्ध किया कि मुख्य कारक केवल रोटेशन की उपस्थिति नहीं थी, बल्कि रोटेशन का समय था जब इसे प्रणाली द्वारा महसूस किया गया। यदि परमाणुओं ने संक्रमण शुरू होने के ठीक क्षण में एक मजबूत स्पिन का अनुभव किया, तो मानक नियम टूट गए। यदि स्पिन को धीरे-धीरे पेश किया गया, तो परमाणुओं के पास तालमेल बिठाने का समय था, और सार्वभौमिक नियम बरकरार रहे।

अध्ययन ने यह भी देखा कि संक्रमण पूरा होने के बाद इन भंवरों का क्या होता है। सिमुलेशन में, वोर्टेक्स खुद को उस आदर्श मधुमक्खी के छत्ते जैसी ग्रिड (Abrikosov lattice) में व्यवस्थित नहीं कर पाए, जो घूमते हुए सुपरफ्लुइड के लिए एक आदर्श अवस्था है। इसके बजाय, वे एक अव्यवस्थित, 'ग्लासी' व्यवस्था में स्थिर हो गए। कंटेनर के किनारे और वोर्टेक्स की विशिष्ट संख्या ने एक प्रकार की बाधा (frustration) उत्पन्न की, जिससे उन्हें एक पूर्ण व्यवस्था खोजने से रोका गया। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने पाया कि यदि उन्होंने एक सौम्य, बाहरी 'पिनिंग फोर्स' (pinning force) जोड़ा—जैसे कि परमाणुओं को थामे रखने के लिए प्रकाश का एक सूक्ष्म पैटर्न—तो बिखरे हुए भंवरों को उस पूर्ण, व्यवस्थित जाली (lattice) के रूप में आकार देने के लिए प्रेरित किया जा सकता था। यह सुझाव देता है कि जबकि घूमते हुए ट्रैप में शीतलन की प्राकृतिक प्रक्रिया अव्यवस्था की ओर ले जाती है, थोड़ा अतिरिक्त मार्गदर्शन आदर्श संरचना को बहाल कर सकता है, भले ही रोटेशन की गति कम हो।

ये निष्कर्ष क्वांटम पदार्थ को नियंत्रित करने के बारे में सोचने का एक नया तरीका प्रदान करते हैं। यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि रोटेशन केवल एक निष्क्रिय पृष्ठभूमि स्थिति नहीं है, बल्कि एक सक्रिय उपकरण है जिसका उपयोग चरण संक्रमण के परिणाम को निर्देशित करने के लिए किया जा सकता है। स्पिन को समायोजित करके, वैज्ञानिक यह चुन सकते हैं कि वे दोष निर्माण के सार्वभौमिक नियमों का पालन करेंगे या प्रणाली को कोणीय संवेग द्वारा निर्धारित एक विशिष्ट अवस्था में मजबूर करेंगे। यह अंतर्दृष्टि इस बात को गहरा करती है कि क्वांटम दुनिया में समरूपता (symmetry) कैसे टूटती है और बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट्स की महत्वपूर्ण गतिशीलता (critical dynamics) को नियंत्रित करने के लिए एक व्यावहारिक साधन प्रदान करती है। 'स्टोकेस्टिक ग्रॉस-पिगोटस्की समीकरण' (stochastic Gross-Pitaevskii equation) का उपयोग करते हुए विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन से प्राप्त परिणाम इस बात पर प्रकाश डालते हैं कि एक ठंडी होती प्रणाली के यादृच्छिक उतार-चढ़ाव और रोटेशन की व्यापक मांग के बीच का परस्पर प्रभाव व्यवस्था और अव्यवस्था का एक जटिल नृत्य बनाता है, जिसे पुराने नियम पूरी तरह से नहीं समझ सके थे।