Viscous hydrodynamics from correlated losses
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि सहसंबद्ध द्वि-निकाय हानि (correlated two-body losses) क्वांटम ज़ेनो प्रभाव के माध्यम से लोचदार प्रकीर्णन (elastic scattering) को प्रेरित कर सकती है, जिससे एक गैर-अपभ्रष्ट गैस (nondegenerate gas) एक यूनिटरी फर्मी गैस के समान श्यानता (viscosity) और तापीय चालकता (thermal conductivity) के साथ हाइड्रोडायनामिक प्रवाह प्रदर्शित करने में सक्षम हो जाती है।
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अल्ट्रा-कोल्ड परमाणुओं की शांत दुनिया में, वैज्ञानिक इस बात का अध्ययन करते हैं कि जब कणों के समूहों को परम शून्य (absolute zero) के करीब तापमान तक ठंडा किया जाता है, तो वे कैसे व्यवहार करते हैं। आमतौर पर, एक गैस तरल की तरह बहती है या स्वतंत्र गोलियों की धारा की तरह चलती है, यह इस पर निर्भर करता है कि कण आपस में कितनी बार टकराते हैं। यदि कण विरल रूप से टकराते हैं, तो वे सीधी रेखाओं में उड़ते हैं, अपनी गति और दिशा बनाए रखते हैं जब तक कि वे अपने कंटेनर के किनारे से न टकरा जाएं। यह एक आदर्श गैस (ideal gas) का व्यवहार है। हालांकि, यदि कण बार-बार टकराते हैं, तो वे निरंतर संवेग (momentum) और ऊर्जा का आदान-प्रदान करते हैं, जिससे समूह एक स्थानीय संतुलन में सेट हो जाता है जहाँ ऊष्मा और गति सुचारू रूप से फैलती है। यह एक तरल का व्यवहार है, जो श्यानता (viscosity) जैसे गुणों द्वारा नियंत्रित होता है, जो यह मापता है कि तरल कितना गाढ़ा है या प्रवाह के प्रति कितना प्रतिरोधी है। दशकों से, शोधकर्ताओं ने परमाणुओं के बीच के बलों को ट्यून करके इन तरल जैसे अवस्थाओं का निर्माण किया है, जिससे वे इतना मजबूती से परस्पर क्रिया करते हैं कि टकराव उतनी ही बार होते हैं जितनी क्वांटम मैकेनिक्स अनुमति देती है।
लेकिन क्या होगा यदि गैस के कणों के बीच कोई बल ही न हो? क्या होगा यदि यह एक आदर्श गैस है जहाँ परमाणु कभी एक-दूसरे को छू ही नहीं सकते? लंबे समय तक, उत्तर स्पष्ट लग रहा था: बिना टकराव के, कोई तरल प्रवाह नहीं हो सकता। फिर भी, कॉन्स्टेंस विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं का एक नया अध्ययन सुझाव देता है कि एक ऐसी गैस में भी, जिसमें कोई आंतरिक अंतःक्रिया नहीं है, एक तरल उभर सकता है यदि सिस्टम किसी विशिष्ट तरीके से कणों को खो रहा हो। कुंजी इस बात में नहीं है कि कण एक-दूसरे के साथ क्या करते हैं, बल्कि इसमें है कि वे कैसे गायब होते हैं। जब ट्रैप से परमाणु लुप्त होते हैं, तो वे आमतौर पर एक-एक करके गायब होते हैं, जो जीवित बचे लोगों की गति को नहीं बदलता है। लेकिन यदि परमाणु केवल तभी लुप्त होते हैं जब वे जोड़े के रूप में मिलते हैं, तो गायब होने की यह क्रिया उन्हें परस्पर क्रिया करने के लिए मजबूर करती है। यह विरोधाभासी खोज दिखाती है कि 'लॉस' (loss) स्वयं उन टकरावों को इंजीनियर कर सकता है जो एक गैस को बहने वाले तरल में बदलने के लिए आवश्यक हैं।
शोधकर्ताओं ने परमाणुओं की एक ऐसी गैस पर ध्यान केंद्रित किया जो आपस में परस्पर क्रिया नहीं कर रही थी, जिसका अर्थ है कि उनमें एक-दूसरे से टकराने या उछलने की कोई स्वाभाविक प्रवृत्ति नहीं थी। एक विशिष्ट प्रयोग में, ऐसी गैस या तो बिखर जाएगी या कणों के हटने से क्षय (decay) हो जाएगी। हालांकि, टीम ने एक ऐसी स्थिति पर विचार किया जहाँ कण केवल तभी हटाए जाते हैं जब दो परमाणु एक ही समय में एक ही स्थान पर मौजूद हों। इसे 'टू-बॉडी लॉस' (two-body loss) के रूप में जाना जाता है। यह वास्तविक प्रयोगों में तब होता है जब दो परमाणु टकराते हैं और एक अणु बनाने के लिए जुड़ जाते हैं जो ट्रैप से बाहर उड़ जाता है, या जब वे रासायनिक रूप से प्रतिक्रिया करते हैं और सिस्टम को छोड़ देते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि जोड़े की उपस्थिति की यह आवश्यकता एक छिपा हुआ तंत्र बनाती है। क्योंकि नुकसान की प्रक्रिया जोड़ों को हटा देती है, यह प्रभावी रूप से शेष परमाणुओं को एक-दूसरे से टकराकर बचने के लिए मजबूर करती है ताकि वे लुप्त न हों।
यह घटना क्वांटम भौतिकी के एक मौलिक नियम पर निर्भर करती है जिसे 'ऑप्टिकल थ्योरम' (optical theorem) कहा जाता है, जो एक कण के अवशोषित होने की संभावना को उसके प्रकीर्णन (scattering) की संभावना से जोड़ता है। इस मामले में, "अवशोषण" ट्रैप से जोड़े का नुकसान है। थ्योरम यह निर्धारित करता है कि यदि कोई प्रक्रिया एक जोड़े को हटा सकती है, तो उसे कुछ जोड़ों कोกัน आपस में टकराकर (elastically) दिशा बदलने के लिए भी मजबूर करना चाहिए। आमतौर पर, यह इलास्टिक स्कैटरिंग नुकसान की तुलना में एक बहुत छोटा प्रभाव होता है। हालांकि, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि जब नुकसान बहुत अधिक होता है, तो स्थिति उलट जाती है। तीव्र नुकसान एक निरंतर माप (continuous measurement) की तरह कार्य करता है, जो लगातार यह जाँचता है कि क्या दो परमाणु पास में हैं। यह "निगरानी" परमाणुओं को दूर रखती है, जिससे उन्हें लुप्त होने से रोका जा सके, लेकिन साथ ही यह संभावना को अधिकतम करती है कि वे एक-दूसरे से टकराकर दिशा बदल लेंगे। परिणाम एक ऐसी गैस है जहाँ टकराव पूरी तरह से नुकसान के खतरे द्वारा संचालित होते हैं, न कि परमाणुओं के बीच किसी अंतर्निहित बल द्वारा।
टीम ने गणना की कि यह गैस समय के साथ कैसे व्यवहार करेगी और पाया कि यह प्रकृति में ज्ञात सबसे अधिक टकराव वाले द्रवों, जैसे कि 'यूनिटरी फर्मी गैस' की तरह बहती है, जो अपने न्यूनतम संभव श्यानता के लिए प्रसिद्ध है। उनके मॉडल में, गैस ने श्यानता और तापीय चालकता विकसित की जो इन चरम सीमाओं के करीब पहुँच गई, भले ही परमाणुओं में कोई अंतर्निहित आकर्षण या प्रतिकर्षण नहीं था। जैसे-जैसे गैस धीरे-धीरे कणों को खोती गई, वह गर्म भी होती गई। शोधकर्ताओं ने इस हीटिंग में एक सटीक पैटर्न पाया: तापमान और घनत्व समय के साथ एक सार्वभौमिक नियम का पालन करते हुए बदलते रहे, जो तीन-आठवें (three-eighths) के एक विशिष्ट घातांक (exponent) के साथ बढ़ते या घटते थे। इसका अर्थ है कि जैसे-जैसे गैस पतली होती गई और गर्म होती गई, इसकी बहने और ऊष्मा संचालित करने की क्षमता एक अनुमानित तरीके से बढ़ी, जो कि केवल नुकसान की ताकत से नहीं, बल्कि क्वांटम मैकेनिक्स की मौलिक सीमाओं द्वारा निर्धारित थी।
यह अध्ययन पारंपरिक दृष्टिकोण को चुनौती देता है कि तरल व्यवहार के लिए कणों के बीच मजबूत, सुसंगत अंतःक्रियाओं की आवश्यकता होती है। इसके बजाय, यह प्रदर्शित करता है कि इंजीनियर विसरण (engineered dissipation)—जिसमें सिस्टम द्वारा ऊर्जा या कणों को खोने के तरीके का सावधानीपूर्वक डिजाइन किया जाता है—उन टकरावों को बना सकता है जो एक तरल बनाते हैं। शोधकर्ताओं ने इस बात पर जोर दिया कि यह प्रभाव तब सबसे प्रमुख होता है जब नुकसान इतना मजबूत होता है कि वह सिस्टम के व्यवहार पर हावी हो जाए, जिससे गैस उस स्थिति में पहुँच जाती है जहाँ वह 'यूनिटरी लिमिट' (unitary limit) की तरह व्यवहार करती है, जो क्वांटम कानूनों द्वारा अनुमत अधिकतम संभव अंतःक्रिया का बिंदु है। उन्होंने उल्लेख किया कि यह बोसोन और फर्मियॉन दोनों पर लागू होता है, बशर्ते कि गैस इतनी घनी न हो कि क्वांटम सांख्यिकी (quantum statistics) हावी हो जाए।
अध्ययन सुझाव देता है कि वैज्ञानिक इस तंत्र का उपयोग उन प्रणालियों में तरल गतिकी (fluid dynamics) बनाने और अध्ययन करने के लिए कर सकते हैं जहाँ अन्यथा अंतःक्रियाएं अनुपस्थित हैं। परमाणुओं के जोड़ों के हटने की दर को ट्यून करके, शोधकर्ता संभावित रूप से मजबूत बलों को बनाने के लिए चुंबकीय क्षेत्रों को ट्यून किए बिना क्वांटम पदार्थ के प्रवाह को नियंत्रित कर सकते हैं। यह क्वांटम सामग्रियों में परिवहन (transport) की खोज के लिए एक नया मार्ग खोलता है, जहाँ नुकसान को अब एक समस्या के रूप में नहीं देखा जाता है जो प्रयोगों को खराब करती है, बल्कि एक संसाधन के रूप में देखा जाता है जिसका उपयोग नए पदार्थ की अवस्थाओं के निर्माण के लिए किया जा सकता है। यह कार्य एक स्पष्ट सैद्धांतिक ढांचा प्रदान करता है कि कैसे कोल्ड एटम प्रयोगों में इस प्रभाव को देखा जा सकता है, जो उन विशिष्ट स्थितियों की ओर संकेत करता है जहाँ गैस एक बैलिस्टिक, गैर-परस्पर क्रियात्मक अवस्था से एक हाइड्रोडायनामिक तरल में परिवर्तित हो जाएगी जो पूरी तरह से कणों के खोने की क्रिया द्वारा संचालित है।
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