Nonequilibrium Dynamical Quantum Phase Transitions in the Extended Agassi Model
यह अध्ययन पेयरिंग और मोनोपोल स्ट्रेंथ के अचानक क्वेंच (sudden quenches) के बाद विस्तारित अगासी मॉडल (extended Agassi model) में नॉन-इक्विलिब्रियम डायनेमिकल क्वांटम फेज ट्रांजिशन की जांच करने के लिए एग्जैक्ट डायगोनलाइजेशनलाइज़ेशन का उपयोग करता है, जो यह प्रकट करता है कि जबकि इक्विलिब्रियम -ड्रिवन ट्रांजिशन सेकंड-ऑर्डर है और - एवं -ड्रिवन ट्रांजिशन फर्स्ट-ऑर्डर हैं, परिणामी डायनेमिकल सिंगुलैरिटीज अलग-अलग स्केलिंग एक्सपोनेंट्स (, , ) प्रदर्शित करती हैं जो यह दर्शाती हैं कि डायनेमिकल क्रिटिकैलिटी केवल ट्रांजिशन के इक्विलिब्रियम ऑर्डर द्वारा निर्धारित नहीं होती है।
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क्वांटम भौतिकी की विशाल, अदृश्य दुनिया में, कण हमेशा उन ठोस वस्तुओं की तरह व्यवहार नहीं करते जिन्हें हम अपने चारों ओर देखते हैं। इसके बजाय, वे निरंतर क्षमता की स्थिति में मौजूद होते हैं, जो ऊर्जा और व्यवस्था के विभिन्न विन्यासों के बीच बदलने में सक्षम होते हैं। कभी-कभी, इन कणों का एक समूह अचानक पुनर्गठन से गुजर सकता है जिसे 'फेज ट्रांजिशन' (अवस्था परिवर्तन) कहा जाता है। हम इसे रोजमर्रा की जिंदगी में तब देखते हैं जब पानी जम कर बर्फ बन जाता है या उबल कर भाप बन जाता है; पदार्थ अपने मौलिक स्वरूप को बदल लेता है क्योंकि तापमान में बदलाव आता है। क्वांटम जगत में, ये परिवर्तन तापमान में बदलाव के बिना भी हो सकते हैं, जो इसके बजाय उन बलों के अचानक परिवर्तन से संचालित होते हैं जो कणों को एक साथ थामे रखते हैं। जब ये परिवर्तन एक ऐसी प्रणाली में होते हैं जिसे उसकी शांत अवस्था से झकझोर दिया गया हो, तो उन्हें 'डायनामिकल क्वांटम फेज ट्रांजिशन' (गतिक क्वांटम अवस्था परिवर्तन) कहा जाता है। वैज्ञानिक इन घटनाओं का अध्ययन इसलिए करते हैं क्योंकि वे यह प्रकट करती हैं कि कई कणों वाली जटिल प्रणालियाँ अचानक लगे झटकों के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करती हैं, जो परमाणुओं के नाभिक से लेकर विलक्षण सामग्रियों के व्यवहार तक सब कुछ नियंत्रित करने वाले नियमों की एक खिड़की प्रदान करती हैं।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में इन अचानक परिवर्तनों का अन्वेदन करने के लिए एक विशिष्ट गणितीय मॉडल का उपयोग किया है जिसे फर्मियॉन (fermions) के समूहों का वर्णन करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो एक प्रकार के कण हैं जो दृश्य ब्रह्मांड का एक बड़ा हिस्सा बनाते हैं। उन्होंने एक प्रणाली पर ध्यान केंद्रित किया जिसे 'एक्सटेंडेड अगस्सी मॉडल' (extended Agassi model) कहा जाता है, जो इस बात का एक सरलीकृत प्रयोगशाला की तरह कार्य करता है कि कण तब कैसे परस्पर क्रिया करते हैं जब वे जोड़े में होते हैं या विभिन्न बलों द्वारा अलग किए जाते हैं। शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए तीन विशिष्ट प्रकार के अंतःक्रियाओं (interactions) की शक्ति को अचानक बदलने पर ध्यान केंद्रित किया: एक ही ऊर्जा स्तर पर कणों का युग्मन (pairing), चुंबकीय मोनोपोल की तरह कार्य करने वाले कणों के समूहों के बीच की अंतःक्रिया, और विभिन्न ऊर्जा स्तरों के बीच कणों का युग्मन। इन अचानक परिवर्तनों, जिन्हें 'क्वेंच' (quenches) कहा जाता है, का अनुकरण करके, वे देख सके कि कैसे सिस्टम की अपनी मूल अवस्था की स्मृति फीकी पड़ती है और कैसे व्यवस्था के नए पैटर्न उभरते हैं।
अध्ययन की शुरुआत इस प्रणाली के स्थिर अवस्थाओं का मानचित्र तैयार करने से हुई, जिसमें कोई परिवर्तन नहीं किया गया था। शोधकर्ताओं ने पाया कि बलों की शक्ति के आधार पर, प्रणाली पाँच अलग-अलग चरणों (phases) में से किसी एक में स्थिर होती है, ठीक वैसे ही जैसे पानी ठोस, तरल या गैस हो सकता है। इनमें से कुछ अवस्था परिवर्तन सुचारू रूप से होते हैं, जहाँ प्रणाली धीरे-धीरे अपना आकार बदलती है। अन्य अचानक होते हैं, जहाँ प्रणाली एक अवस्था से दूसरी अवस्था में झटके से बदल जाती है। टीम ने पाया कि मोनोपोल जैसी बल द्वारा संचालित संक्रमण सुचारू और निरंतर था, जो धीरे-धीरे अपने आंतरिक ढांचे को संरेखित करने वाले एक चुंबक के समान है। इसके विपरीत, समान-स्तर के युग्मन और क्रॉस-लेवल युग्मन द्वारा संचालित संक्रमण अचानक थे, जो एक क्रमिक फिसलन के बजाय एक अचानक झटके के समान थे। स्थिर अवस्था में होने वाले इन सुचारू और अचानक परिवर्तनों के बीच के अंतर ने यह समझने के लिए एक आधार रेखा प्रदान की कि जब प्रणाली को हिलाया जाएगा तो क्या होगा।
गैर-संतुलन व्यवहार की जांच करने के लिए, शोधकर्ताओं ने तीन बलों में से प्रत्येक में से एक को एक समय में बदलने का अनुकरण किया। उन्होंने प्रणाली को एक शांत, संतुलित अवस्था में शुरू किया और फिर तुरंत बल को बदल दिया, और देखते रहे कि प्रणाली समय के साथ कैसे प्रतिक्रिया करती है। उन्होंने इस प्रतिक्रिया को एक मात्रा को ट्रैक करके मापा जो यह दर्शाती है कि प्रणाली अपनी शुरुआती बिंदु को कितनी याद रखती है। जैसे-जैसे समय बीतता गया, यह स्मृति फीकी पड़ती गई, लेकिन विशिष्ट क्षणों पर, क्षय की प्रक्रिया में तीक्ष्ण, ऊबड़-खाब oleh (jagged) विशेषताएं विकसित हुईं। ये तीक्ष्ण बिंदु, जिन्हें शोधकर्ता 'कस्प्स' (cusps) कहते हैं, संकेत देते थे कि एक डायनामिकल क्वांटम फेज ट्रांजिशन हुआ है। महत्वपूर्ण रूप से, शोधकर्ताओं ने पाया कि ये नाटकीय क्षण उसी समय और उन्हीं परिस्थितियों में नहीं हुए जैसा कि स्थिर अवस्थाओं में देखे गए सुचारू या अचानक परिवर्तनों में देखा गया था। अचानक झटके के प्रति प्रणाली की प्रतिक्रिया उसके अपने आंतरिक लय और जिस तरह से उसके कण अपने नए वातावरण के साथ ओवरलैप करते हैं, उससे संचालित थी, न कि केवल इसकी स्थिर अवस्था के नियमों को प्रतिबिंबित करने से।
सबसे आश्चर्यजनक खोज यह थी कि इन अचानक परिवर्तनों की प्रकृति पूरी तरह से इस बात पर निर्भर करती थी कि किस बल को बदला गया है, भले ही स्थिर अवस्थाएं यह सुझाव देती हों कि उन्हें समान व्यवहार करना चाहिए। जब शोधकर्ताओं ने समान-स्तर के युग्मन बल को बदला, तो प्रणाली ने एक तीक्ष्ण, ऊबड़-खाबड़ हस्ताक्षर विकसित किया जो एक प्रथम-क्रम (first-order) संक्रमण का संकेत देता था, जो स्थिर अवस्था परिवर्तन की अचानक प्रकृति से मेल खाता था। इसी तरह, जब उन्होंने क्रॉस-लेवल युग्मन बल को बदला, तो उन्होंने स्थिर अवस्था और गतिशील प्रतिक्रिया में भी प्रथम-क्रम का हस्ताक्षर देखा। हालाँकि, दोनों प्रथम-क्रम के संक्रमण होने के बावजूद, उनके विशिष्ट गणितीय स्केलिंग व्यवहार भिन्न थे: समान-स्तर के युग्मन ने तीन-तिहाई के करीब का पैटर्न अपनाया, जबकि क्रॉस-लेवल युग्मन ने एक-तिहाई के करीब का पैटर्न अपनाया। सबसे उल्लेखनीय रूप से, जब उन्होंने मोनोपोल-जैसे बल को बदला, तो प्रणाली ने एक सुचारू, द्वितीय-क्रम (second-order) का संक्रमण प्रदर्शित किया, और गतिशील प्रतिक्रिया ने एक अनूठा पैटर्न दिखाया जो अन्य दो से अलग था। इसने प्रकट किया कि एक गतिशील, परिवर्तनशील प्रणाली में क्वांटम फेज ट्रांजिशन का "व्यक्तित्व" केवल इस बात से निर्धारित नहीं होता कि वह शांत अवस्था में किस प्रकार का संक्रमण है। इसके बजाय, वह विशिष्ट पथ जिससे प्रणाली गुजरती है और जिस तरह से उसके कण झटके के दौरान व्यवस्थित होते हैं, एक अद्वितीय गतिशील पहचान बनाते हैं, यहाँ तक कि समान क्रम के संक्रमणों के बीच भी।
परिवर्तनों की गहराई को समझने के लिए, शोधकर्ताओं ने विश्लेषण किया कि जैसे-जैसे उन्होंने सिम्युलेटेड प्रणाली के आकार को बढ़ाया, इन संक्रमणों की तीव्रता कैसे बढ़ी। उन्होंने पाया कि जैसे-जैसे प्रणाली बड़ी होती गई, ऊबड़-खाबड़ विशेषताएं अधिक स्पष्ट होती गईं, और अंततः समय के सुचारू प्रवाह में वास्तविक गणितीय अंतराल बन गईं। इन विशेषताओं के तेज होने की दर को मापकर, उन्होंने विशिष्ट संख्याएँ निकालीं जो संक्रमण के स्केलिंग का वर्णन करती हैं। मोनोपोल-जैसे बल के लिए, संख्या दो-तिहाई के करीब थी। समान-स्तर के युग्मन के लिए, यह तीन-तिहाई के करीब थी। क्रॉस-लेवल युग्मन के लिए, यह एक-तिहाई के करीब थी। इन अलग-अलग संख्याओं ने पुष्टि की कि प्रत्येक बल प्रणाली को व्यवहार के एक अलग वर्ग में ले जाता है, भले ही शुरुआती और अंतिम बिंदु समान दिखते हों। शोधकर्ताओं ने एक जटिल गणितीय फलन (function) के अदृश्य शून्यों (zeros) का भी अवलोकन किया, जो प्रणाली के विकास का वर्णन करता है, और पाया कि ये शून्य जटिल समय तल (complex time plane) में ठीक वहीं क्लस्टर या समूह में थे जहाँ तीक्षूर्ण संक्रमण हुए थे, जिससे डेटा में देखी गई ऊबड़-खाबड़ विशेषताओं का सूक्ष्म विवरण प्राप्त हुआ।
यह कार्य यह प्रदर्शित करता है कि एक क्वांटम प्रणाली अचानक लगने वाले झटके के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करती है, इसके नियम पहले की तुलना में अधिक जटिल और विविध हैं। अध्ययन दिखाता है कि एक शांत प्रणाली में संक्रमण का क्रम, गतिमान प्रणाली में संक्रमण के क्रम को निर्धारित नहीं करता है। इसके बजाय, वह विशिष्ट माध्यम जिसके माध्यम से ऊर्जा इंजेक्ट की जाती है, एक अद्वितीय गतिशील परिदृश्य बनाता है। यह निष्कर्ष बताता है कि क्वांटम क्रिटिकल फेनोमेना (घटनाओं) का ब्रह्मांड एक सरल स्थिर अवस्थाओं के मानचित्र की तुलना में कहीं अधिक समृद्ध है। एक ऐसे मॉडल का उपयोग करके जिसे सटीक रूप से हल किया जा सकता है, शोधकर्ताओं ने एक स्पष्ट, विस्तृत दृश्य प्रदान किया है कि कैसे विभिन्न बल एक क्वांटम प्रणाली के भविष्य को आकार देने के लिए प्रतिस्पर्धा करते हैं। उनके परिणाम इस बारे में सोचने का एक नया तरीका प्रदान करते हैं कि पदार्थ सीमाओं तक पहुँचने पर कैसे व्यवहार करता है, जो यह दर्शाता है कि फेज ट्रांजिशन के माध्यम से जाने वाला पथ उतना ही महत्वपूर्ण है जितना कि वह गंतव्य जहाँ वह पहुँचता है।
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