کشف برهمکنش‌های کوانتومی ۱۰۰ هزار اتم در گازها

یک روش عملی برای مطالعه مکانیک کوانتومی توسط گازهایی ارائه می‌شود که دارای چگالی بسیار پایینی هستند، از اتم‌های زیادی (اغلب بیش از صد هزار) تشکیل شده‌اند و تا دمای نزدیک به صفر مطلق سرد می‌شوند. دانشمند و پژوهشگری به نام سیلویا موسولینو انواع مختلف فعل‌وانفعالات بین این اتم‌ها را مورد مطالعه قرار داده و مسیرهای جدیدی برای تحقیقات آینده در زمینه فناوری‌هایی مانند رایانش کوانتومی ارائه کرده است.

قوانین مکانیکی بر فیزیک در مقیاس اتمی حاکم است و به‌واسطه مکانیک کلاسیک متمایز می‌شود که عمدتاً با پدیده‌های طبیعی سروکار دارد که می‌توانیم ببینیم، بشنویم یا لمس کنیم؛ اما مکانیک کوانتومی حتی بر زندگی روزمره ما نیز تأثیر می‌گذارد. برای مثال، ترانزیستورها که اجزای مهم دستگاه‌های الکترونیکی هستند، بر اساس اثرات مکانیک کوانتوم ساخته شده‌اند. علاوه بر این، مکانیک کوانتومی راه را برای فناوری‌های جدیدی مانند رایانش کوانتومی باز می‌کند که ممکن است زندگی ما را تحت تأثیر قرار بدهد و برخی صنایع را دگرگون کند.

هنگامی که اتم‌ها تحت تراکم بوز-اینشتین قرار می‌گیرند، همه با هم در یک جهت حرکت می‌کنند و حتی اگر زیاد باشند، به‌عنوان یک موجود واحد رفتار می‌کنند. موسولینو در طول پروژه پایان‌نامه خود این پدیده را با استفاده از تابع همبستگی یک بدن که ارتباط متقابل اتم‌ها را در داخل میعانات بوز-اینشتین تعیین می‌کند، مورد تجزیه‌و‌تحلیل قرار داد. علاوه بر این، وی انواع دیگر همبستگی‌ها را با توجه به فعل‌وانفعالات بین اتم‌ها مطالعه کرد. متقابل‌ها با پارامتری به نام طول پراکندگی مشخص می‌شوند که می‌توان آن را فاصله از اتمی که در آن فعل‌وانفعالات به‌طور مفید کار می‌کنند، تفسیر کرد. فعل‌وانفعالات قوی بدان معنی است که طول پراکندگی بسیار بیشتر از فاصله بین اتم‌ها خواهد بود. به‌طور خاص، موسولینو فعل‌وانفعالات قوی ناشی از تغییر سریع طول پراکندگی در زمان را در نظر گرفت. این امر همبستگی‌ها را به زمان وابسته و سیستم را از تعادل خارج می‌کند.

اگر تعداد نوترون‌ها در هسته زوج باشد، اتم یک بوزون و در غیر این صورت فرمیون است. اتم‌های بوسونیک دوست دارند در کنار هم بمانند و متعاقباً یک حالت را اشغال کنند. در عوض، فرمیون‌ها کم‌تر اجتماعی هستند و دو فرمیون تنها در صورتی می‌توانند یک حالت را اشغال کنند که دو چرخش متفاوت داشته باشند و درواقع این همان ویژگی ذاتی ذرات است.

از آنجایی‌که تشکیل کامپوزیت‌ها به نوع اتم‌ها بستگی دارد، موسولینو یک چارچوب نظری کلی ایجاد کرد که قادر به ردیابی پویایی همبستگی چند جسم در سیستمی از اتم‌های زیاد است و این روش را برای گازهای بوزونیک و فرمیونیک به کار برد. در این مدل، او همچنین ویژگی‌های تجربی مانند وجود یک تله محفظه‌ای که باعث می‌شود اتم‌ها کاملاً آزاد نباشند، ایجاد کرد و مقایسه‌های زیادی با داده‌های تجربی موجود انجام داد. به‌طور کلی، دکتر موسولینو در نظریه خود نشان داد که چگونه وجود کامپوزیت‌ها باعث تغییر پویایی کل سیستم با چندین بدنه می‌شود و مسیرهای جدیدی برای تحقیقات آینده فراهم می‌کند.