اولین تصویر گره کوانتومی در ابر سیال

محققانی که چند سال پیش برای اولین بار موفق به کشف گره‌ کوانتومی در محیط ابر سیال شده بودند، گزارش می‌دهند که این گره‌ها پس از مدت کوتاهی و قبل از تبدیل شدن به گرداب، تجزیه یا متحد می‌شوند.
اگر از یک ریاضیدان بخواهید که گره را برایتان توصیف کند، آن را به شیرینی پرتزل (نوعی شیرینی آلمانی که شبیه علامت بی‌نهایت است) تشبیه خواهد کرد. اما گره‌‌های کوانتومی کمی متفاوت‌تر هستند. این گره‌ها از ذرات حلقوی شکلی تشکیل شده‌اند که تنها از یک نقطه به یکدیگر متصل هستند. هر گره کوانتومی از لحاظ توپولوژی پایدار بوده و مشابه سولیتون است. سولیتون شیئی است که با یک سرعت ثابت حرکت می‌کند و در این حالت، شکل خودش را نیز از دست نمی‌دهد.
فیزیکدانان بر این عقیده هستند که تولید ساختارهای گره‌ای در ابر سیال‌ها امکان‌پذیر است، ولی باز تولید آن در شرایط آزمایشگاهی برای آنها بسیار چالش‌برانگیز خواهد بود. به همین دلیل اخباری که در این رابطه در سال ۲۰۱۶ منتشر شد، مشخص می‌کند که محققان دانشگاه آلتو فنلاند و امهرست آمریکا به چنین چیزی دست یافتند و این دستاورد برای این جامعه بسیار هیجان‌انگیز بود.
گره‌هایی که توسط آقایان میکو موتونن و دیوید‌ هال ساخته شد، شبیه حلقه‌های دود بودند. این دو از حالت کوانتومی ماده‌ای به نام بوز – اینستاین چگال شده (BEC) به عنوان واسط استفاده کردند که به نوعی حکم یک ابر سیال را دارد. این دو سپس این گره‌ها را با دستکاری در میدان‌های مغناطیس درهم تنیدند.
برای مثال تصور کنید که میدان‌های مغناطیسی همگی مانند تعدادی نوک پیکان هستند که جهت بالا را نشان می‌دهند و هسته این گره‌‌های کوانتومی مانند دایره‌هایی هستند که نوک پیکان هر کدام جهت پایین را نشان می‌دهند و شکلی مانند چشم خدا را ایجاد می‌کنند.
دیوید‌ هال می‌گوید: اگر خطوط میدان‌های مغناطیسی را دنبال کنید، به سمت مرکز می‌روند ولی در لحظه آخر، جهتشان عوض شده و جهت مخالف را ادامه می‌دهند. چرخش به خصوص این پیکان‌هاست که ارتباط جالب بین این گره‌ها را نشان می‌دهد.
با این حال این دو محقق، به توانایی مناسبی در تولید این گره‌ها رسیدند و در پی آن، ویدئویی از نحوه تشکیل شدنشان نیز درست کردند. البته این دو هنوز نمی‌دانند که با گذشت زمان، چه بر سر این گره‌های کوانتومی خواهد آمد. آقایان‌ هال و موتونن عقیده دارند که این گره‌ها با گذر زمان کوچک‌تر می‌شوند تا بتوانند انرژی خود را کاهش دهند. درست مانند حبابی که به صورت طبیعی شکلی کروی به خود می‌گیرد یا مانند توپی که در سرازیری حرکت می‌کند تا انرژی پتانسیل خود را از بین ببرد.
در نتیجه به نظر می‌رسد گره‌های کوانتومی به صورت دینامیکی پایدار نباشند و پیش از تجزیه شدن ابر سیالشان از بین بروند. اما اگر این گره‌ها بتوانند آن قدر دوام بیاورند که واسطه ابر سیالشان از بین برود، آنگاه به شدت پایدار خواهند شد. در ادامه تحقیقاتی که این دو انجام دادند، توانستند از واسطه BEC بهترین بهره را بگیرند و تجزیه گره‌ها و تبدیل شان به گرداب‌ها را تشخیص دهند.
محققان پس از تولید این گره‌ها به کمک میدان‌های مغناطیسی، ابر سیال BEC را آشفته کرده و از آنها جدا کردند. پس از این کار، از رفتار گره‌های کوانتومی تصویربرداری شده و از آن در قالب ویدئو خروجی گرفته شد. این آزمایش، دو مرحله متفاوت از فرآیند تجزیه را نشان می‌داد. در مرحله اول، تعداد زیادی جزیره فرو مغناطیس در نواحی غیر مغناطیسی BEC شکل گرفت.
در مرحله دوم گره‌ها بعد از چند صد میلی ثانیه در ابر سیال حل شدند و جزیره‌های فرو مغناطیس به سمت گوشه‌های ابر سیال BEC حرکت کردند و در این هنگام، مرکز این ابر سیال را در قالب یک محدوده غیر مغناطیسی رها کردند. در نهایت گردابی از چرخش‌های اتمی میان این دو محدوده مغناطیسی و غیر مغناطیسی شکل می‌گیرد.
محققان می‌گویند: تجزیه شدن این گره‌ها بسیار غافلگیرکننده بوده، زیرا آنها از لحاظ توپولوژی بسیار پایدار هستند. همچنین این دستاورد برای این حوزه بسیار مهم بوده زیرا برای اولین بار است که تجزیه یک گرداب سه‌بعدی کوانتومی به یک گرداب تک‌بعدی را مشاهده می‌کنیم. ممکن است گره‌های کوانتومی در حد یک کنجکاوی آزمایشگاهی باقی بمانند، اما احتمال دارد از این تحقیقات برای تولید کامپیوتر‌های کوانتومی نیز استفاده شود. این کامپیوتر‌ها می‌تواند کیوبیت‌ها را در شرایط پایدار مختلف توپولوژی در هم تنیده تا نسبت به مشکلات پیش آمده مقاوم‌تر شوند. آخرین کشفیات نشان می‌دهد که زمان‌بندی در این زمینه امری حیاتی است زیرا گره‌ها ممکن است زود تجزیه شوند.
موتونن می‌گوید: دیدن این که زمانی از این تکنولوژی در رابطه با کارهای کاربردی‌تری استفاده کنند بسیار فوق‌العاده خواهد بود و مطمئنم که روزی این اتفاق خواهد افتاد. کشفیات ما نشان می‌دهد گره‌های کوانتومی در سیستم‌های گازی بسیار سریع با یکدیگر متحد می‌شوند، پس احتمالا اولین مثال‌های کابردی آن را در سیستم‌های دیگری ببینیم.