Kvant maddədə universal qanunauyğunluq ilk dəfə təcrübə ilə aşkar edilib

ABŞ alimləri kvant sistemlərində müxtəlif maddələrin eyni universal qanunlara tabe olmasını göstərən enerji səviyyələrini ilk dəfə birbaşa ölçüblər. Təcrübə kvant simulyatorlarından istifadə etməklə aparılıb və nəticələr nəzəri hesablamaların proqnozları ilə uyğun gəlib.  Müxtəlif maddələr bir fazadan digərinə keçərkən — məsələn, suyun qaynaması və ya maqnitin maqnitlik xüsusiyyətini itirməsi zamanı — onların mikroskopik quruluşları tamamilə fərqli olsa da, müəyyən şəraitdə eyni riyazi qanunauyğunluqlara tabe ola bilirlər. Fizikada bu xüsusiyyət universallıq adlanır. Kaliforniya Texnologiya İnstitutunun (Caltech) Manuel Endresin rəhbərlik etdiyi eksperimental qrup, nəzəri fizik Ceyson Aliseanı və Fransanın Paris-Sakle Universiteti ilə Münhen Texniki Universitetinin alimlərini birləşdirən beynəlxalq tədqiqat qrupu bu universal davranışı kvant simulyatorunda birbaşa ölçüb.

Araşdırmanın nəticələri Nature jurnalında dərc olunub.

Alimlər konformal sahə nəzəriyyəsi kimi tanınan nəzəri çərçivə ilə izah edilən iki fərqli sistemi araşdırıblar. Bunlardan biri İzinq, digəri isə üçkritik İzinq konformal sahə nəzəriyyəsidir.

Bu nəzəriyyələr kvant sistemlərinin iki fərqli vəziyyət arasında keçid etdiyi kritik nöqtədə ortaya çıxan universal davranışları təsvir edir. Gündəlik həyatda gördüyümüz faza keçidlərindən fərqli olaraq, burada dəyişiklik temperaturun təsiri ilə deyil, yalnız kvant mexanizmləri nəticəsində baş verir.

Bu proseslər mütləq sıfıra yaxın temperaturlarda müşahidə edilə bilər. Tədqiqatın əsas məqsədi isə nəzəriyyələrin proqnozlaşdırdığı enerji səviyyələrini eksperimental olaraq ölçmək olub.

Kritik nöqtəyə gətirilmiş kvant sistemi lazer vasitəsilə həyəcanlandırıldıqda, müəyyən enerji səviyyələrinə keçə bilir. Bu enerji səviyyələri bir növ pilləkənin pillələri kimi ardıcıl düzülür. Nəzəriyyələr həmin pillələr arasındakı məsafələrin müəyyən dəqiq nisbətlərə malik olduğunu proqnozlaşdırır.

Fiziklər təxminən 40 ildir ki, konformal sahə nəzəriyyələrindən istifadə edərək bu nisbətləri hesablayırlar. Lakin indiyədək onların real eksperimentdə birbaşa ölçülməsi mümkün olmayıb. Yeni araşdırmada isə alimlər bu enerji “pilləkənini” ilk dəfə ölçə biliblər.

Təcrübədə alimlər kvant kompüterlərinin hazırlanmasında istifadə olunan texnologiyaya əsaslanan sistemdən yararlanıblar. Tədqiqatçılar lazerlə yaradılmış optik tələlərdə stronsium atomlarını bir xətt boyunca düzərək saxlayıblar. Daha sonra atomları yüksək enerjili Ridberq hallarına keçirmək üçün əlavə lazerlərdən istifadə edilib. Bu vəziyyətdə qonşu atomlar arasında qarşılıqlı təsir güclənir.

Nəticədə atomlar bir-birindən tamamilə ayrı hissəciklər kimi deyil, vahid kvant sistemi kimi davranmağa başlayıb. Alimlər lazer parametrlərini dəyişdirərək atom zəncirini kritik nöqtəyə gətiriblər.

Enerji səviyyələrini müəyyənləşdirmək üçün tədqiqatçılar çoxcisimli modulyasiya spektroskopiyası adlandırılan yeni üsuldan istifadə ediblər. Bu üsulda lazerlərin tezliyi dəyişdirilərək bütün atom zəncirinə zəif təsir göstərilib. Daha sonra atomların müxtəlif tezliklərə verdiyi reaksiya ölçülüb. Müəyyən tezliklərdə reaksiyanın kəskin güclənməsi sistemin həmin enerji səviyyəsində rezonansa girdiyini göstərib. Bu yanaşmanı alimlər şərti olaraq şərab qədəhinin kənarında barmağı hərəkət etdirməyə bənzədirlər: düzgün tezlikdə qədəh rezonans yaradaraq səs çıxarır, uyğun olmayan tezlikdə isə demək olar ki, heç bir reaksiya vermir.

Tədqiqatçılar təcrübəni uzunluğu 35 atomadək olan zəncirlər üzərində təkrarlayıblar. Nəticədə ölçülən enerji səviyyələrinin İzinq konformal sahə nəzəriyyəsinin proqnozları ilə uyğun olduğu müəyyənləşib. Atom zəncirinin ölçüsünə görə məlumatlar yenidən miqyaslandırıldıqda müxtəlif sistemlərin enerji spektrləri vahid universal əyri üzərində birləşib. Daha sonra alimlər sistemi üçkritik nöqtəyə gətirərək fərqli enerji spektrinin ən aşağı səviyyələrini ölçüblər. Onların nisbətləri də nəzəriyyənin əvvəlcədən proqnozlaşdırdığı göstəricilərlə uyğun gəlib. Bu nəticə konformal sahə nəzəriyyəsinin əsas proqnozlarının real kvant sistemində eksperimental şəkildə təsdiqlənməsi baxımından mühüm hesab olunur.

Təcrübədə hər bir atomun ayrıca idarə edilə bilməsi alimlərə ənənəvi maddələrlə aparılması çətin olan əlavə ölçmələr həyata keçirməyə imkan verib. Tədqiqatçılar həyəcanlanmış vəziyyətləri onların simmetriyasına görə qruplaşdıraraq ilk ölçmədə görünməyən əlavə enerji səviyyələri qrupunu da müəyyənləşdiriblər. Bundan başqa, atom zəncirinin hər iki ucundakı atomların vəziyyəti dəyişdirilərək enerji “pilləkəninin” quruluşu dəyişdirilib. Alınan müxtəlif nümunələrin üçkritik İzinq nəzəriyyəsinin proqnozları ilə uyğun gəldiyi müəyyən olunub.

Alimlər növbəti mərhələdə daha böyük kvant sistemlərindən istifadə etməyi planlaşdırırlar.

İndiki təcrübədə atomlar bir xətt boyunca düzülüb. Gələcəkdə isə onların ikiölçülü tor şəklində yerləşdirilməsi nəzərdə tutulur.  Tədqiqatçıların fikrincə, ikiölçülü sistemlərdə konformal sahə nəzəriyyələri daha az öyrənildiyi üçün bu istiqamət yeni və maraqlı imkanlar yarada bilər.

Manuel Endres isə metodun əsas üstünlüklərindən birinin əvvəlcədən cavabı bilməyə ehtiyac yaratmaması olduğunu vurğulayıb. Alimlər gələcəkdə bu texnologiyanı cavabı nəzəri və ya klassik hesablama üsulları ilə dəqiq bilinməyən, hətta ənənəvi kompüterlərin hesablama imkanlarını aşan kvant sistemlərinə tətbiq etməyi planlaşdırırlar.

Beləliklə, yeni iş kvant simulyatorlarının yalnız kvant kompüterlərinin yaradılması üçün deyil, fundamental fizikanın uzun illərdir sınaqdan keçirilməsi çətin olan nəzəriyyələrinin birbaşa yoxlanılması üçün də güclü alətə çevrildiyini göstərir.

mənbə: phys.org