جریان گرم مکانیک کوانتومی در یک پلاسمای سرد

برای دست‌یابی به کاربرد‌ها‌ی عملی حالت‌ها‌ی کوانتومی خاص، نیاز به سرد‌ کردن سیستم و اعمال پالس‌ها‌ی لیزری است. اما یک پلاسمای سرد خودبه‌خود به این حالت می‌رسد.

پژوهشگران دانشگاه کلمبیا سیستمی طراحی کرده‌اند که می‌تواند باعث تولید تکنولوژی کوانتومی گرم‌تر شود. تکنولوژی‌ها‌ی کوانتومی مانند کامپیوتر کوانتومی، امکان پردازش بسیار سریع‌تر داده‌ها را نسبت به کامپیوتر‌ها‌ی معمولی دارند. این دستاورد باعث ایجاد علاقه و توجه در زمینه‌ی پدیده‌ها‌ی کوانتومی پیچیده، از جمله حالت کوانتومی جایگزیدگی چندجسمی شده است.

جایگزیدگی چندجسمی زمانی اتفاق می‌افتد که بر‌هم‌کنش‌ها‌ی کوانتومی، ذرات را در مکان‌ها‌ی تصادفی شبکه‌مانند به‌دام می‌اندازند. این فاز از ماده، انرژی ذخیره‌شده در حالت‌ها‌ی کوانتومی را از تبدیل‌ شدن به گرما محافظت می‌کند؛ اثری که از داده‌ها در قالب کیوبیت‌ها‌ی ظریف که پایه‌ها‌ی کامپیوتر‌ها‌ی کوانتومی است، محافظت می‌کند.

تا به حال تمامی پژوهش‌ها‌ی تئوری و تجربی در زمینه‌ی جایگزیدگی چندجسمی، بر سیستم‌ها‌ی کوانتومی سرد‌شده تا دما‌ی صفر مطلق (منفی ۲۷۳ درجه سلسیوس) متمرکز شده است. اد گرنت، فیزیکدان شیمیایی دانشگاه بریتیش کلمبیا، توضیح می‌دهد:

این اثر در شرایطی اتفاق می‌افتد که برای مهندسان بسیار دشوار است. تا به حال شواهد حالت کوانتومی جایگزیدگی چندجسمی در آرایه‌ای از اتم‌ها در فضا که تحت عبور یک میدان لیزری قرار گرفته باشد، دیده شده است. اما این چیدمان تنها تا زمانی که نور در حال تابش باشد، دوام دارد و به راحتیِ پاره‌ شدن یک دستمال از بین می‌رود. 

گرنت و فیزیکدان نظری به‌ نام جان سوز اخیرا نتایج آزمایشگاهی خود را در Physical Review Letters منتشر کردند. در این آزمایش‌ها، پالس‌ها‌ی لیزری باعث بر‌انگیختگی مولکول‌ها‌ی گازی نیتریک اکسید می‌شوند و پلاسما‌ی فوق سردی به‌ وجود می‌آورند.

یک پلاسما‌ی سرد، شامل الکترون‌ها، یون‌ها و مولکول‌ها‌ی ریدبرگ (یون‌ها‌ی +NO که الکترون‌ها به دور آن می‌گردند)، حالت کوانتومی جایگزیدگی چند جسمی را به‌صورت خود‌به‌خود به‌ وجود می‌آورد. پژوهشگران معتقدند که پلاسما می‌تواند به‌صورت طبیعی و بدون نیاز به شبکه‌ای از پالس‌ها‌ی لیزری که دوام زیادی ندارند، به این حالت کوانتومی برسد. نکته‌ی مهم دیگر این است که دیگر نیازی به رساندن سیستم به صفر مطلق نیست. مکانیزم رسیدن خود‌به‌خود به حالت کوانتومی مورد نظر در دمای بالا، به یک حالت خود‎به‌خود از جایگزیدگی چندجسمی رهنمون می‌شود. گرنت می‌گوید:

این پژوهش، راه ساده‌تری برای ساختن یک ماده‌ی کوانتومی به ما می‌دهد که خبر خوبی برای رسیدن به کاربرد‌ها‌ی عملی‌تر از این راه است.