۹ آگوست ۲۰۲۵، عکس از نویسنده: روپندرا براهامبات -تصویر مفهومی از سیستم کوانتومی داغ.
قوانین جذاب فیزیک کوانتومی تقریباً همیشه وقتی از اتم‌ها و مولکول‌ها به سمت اشیاء بسیار بزرگتر در دماهای بالا حرکت می‌کنید، شکست می‌خورند.این به این دلیل است که هرچه یک شیء بزرگتر شود و دما بالاتر رود، جلوگیری از تعامل آن با محیط اطراف دشوارتر می‌شود، پدیده‌ای که معمولاً رفتار کوانتومی ظریف را از بین می‌برد.
با این حال، یک مطالعه جدید چیزی را مدیریت کرده است که این محدودیت‌ها را به طور جدی جابجا می‌کند. این تحقیق نشان داده است که یک کره شیشه‌ای کوچک – که هنوز بیش از هزار برابر کوچکتر از یک دانه شن است اما از نظر استانداردهای کوانتومی بسیار بزرگ است – می‌تواند حرکت چرخشی خود را تقریباً تا آرام‌ترین حالت مجاز فیزیک کوانتومی با خلوص حدود ۹۲٪ خنک کند، حتی در حالی که خود ذره در دمای چند صد درجه در حال سوختن است.
این اولین باری است که دانشمندان بدون نیاز به سرد کردن کل جسم تا نزدیکی صفر مطلق به چنین حالت کوانتومی خالصی رسیده‌اند و درهایی را برای آزمایش‌هایی که زمانی خارج از آزمایشگاه‌های انجماد عمیق غیرممکن تصور می‌شدند، باز می‌کنند.
نویسندگان این مطالعه خاطرنشان می‌کنند: «خلوصی که توسط آزمایش دمای اتاق ما حاصل شده است، از عملکرد ارائه شده توسط نوسانگرهای مکانیکی گیره شده در یک محیط برودتی فراتر می‌رود و بستری را برای اپتومکانیک کوانتومی با خلوص بالا در دمای اتاق ایجاد می‌کند.» یک میانبر هوشمندانه که حرکت خاص جسم را هدف قرار می‌دهد.
به طور معمول، برای دیدن رفتار کوانتومی در جسمی بزرگتر از یک مولکول، محققان باید به پایین بروند: معلق کردن ذره در خلاء برای محافظت از آن در برابر تداخل خارجی، و خنک کردن محیط اطراف آن تا نزدیکی -273.15 درجه سانتیگراد تا حرکت آن تا حد مجاز قوانین کوانتومی منظم شود.
حتی در آن صورت، کار دشوار است. دلیل این امر این است که حرکت در دنیای کوانتومی کوانتیزه است – فقط می‌تواند در تکه‌های خاصی به نام کوانتوم‌های ارتعاشی اتفاق بیفتد. یک حالت با کمترین انرژی به نام حالت پایه، یک حالت برانگیخته اول با انرژی کمی بیشتر و غیره وجود دارد.
اگرچه ذره می‌تواند در ترکیبی از این حالت‌ها وجود داشته باشد. رسیدن به حالت پایه برای یک ذره بزرگ یک هدف مهم بوده است. تاکنون، این امر مستلزم خنک کردن همه چیز تا حد انجماد بود.
نویسندگان این مطالعه یک میانبر هوشمندانه اتخاذ کردند. به جای تلاش برای سرد کردن کل انرژی داخلی ذره (که در مقایسه با انرژی حرکت آن عظیم است)، آنها فقط یک حرکت خاص را هدف قرار دادند: چرخش آن.
محققان از یک نانوذره به شکل کره کامل، بلکه به شکل بیضی کمی کشیده استفاده کردند. وقتی چنین ذره‌ای در یک میدان الکترومغناطیسی به دام می‌افتد، به طور طبیعی حول یک تراز ثابت می‌چرخد، مانند یک سوزن قطب‌نما که به دور شمال می‌لرزد.
با کنترل دقیق نور لیزر و سیستم‌های آینه‌ای، و تشکیل یک حفره نوری با ظرافت بالا، تیم توانست بر این لرزش تأثیر بگذارد. ترفند اینجا این است که لیزر می‌تواند یا انرژی را به چرخش اضافه کند یا از آن انرژی بگیرد.
با تنظیم دقیق آینه‌ها به طوری که احتمال حذف انرژی بسیار بیشتر از اضافه شدن انرژی باشد، دانشمندان تقریباً تمام انرژی چرخشی را تخلیه کردند. در حین انجام این کار، آنها همچنین باید نویز کوانتومی لیزرها، نوسانات تصادفی که در غیر این صورت می‌توانستند فرآیند حساس را خراب کنند، را در نظر می‌گرفتند و کنترل می‌کردند.
این منجر به انجماد حرکت چرخشی به حالتی بسیار نزدیک به حالت پایه کوانتومی، با تنها 0.04 کوانتوم انرژی باقیمانده و حدود 92٪ خلوص کوانتومی شد، کلید کاربردی‌تر کردن سیستم‌های کوانتومی حتی اگر دمای داخلی ذره هنوز صدها درجه سانتیگراد بود.
این نتیجه، مانعی دیرینه در تحقیقات کوانتومی را از میان برمی‌دارد. این نشان می‌دهد که برای مطالعه خواص کوانتومی یک جسم، لازم نیست کل آن را تا دماهای بسیار پایین سرد کرد.در عوض، با بررسی جداگانه انواع مختلف حرکت، مانند چرخش، می‌توان به صورت انتخابی بخش‌هایی از یک سیستم را وارد رژیم کوانتومی کرد، در حالی که بقیه داغ و نامرتب باقی می‌مانند.
این رویکرد می‌تواند بررسی اثرات کوانتومی در سیستم‌های بزرگتر و پیچیده‌تر – از ساختارهای بیولوژیکی گرفته تا دستگاه‌های مهندسی شده – را بدون نیاز به تنظیمات برودتی عظیم، بسیار آسان‌تر کند.
با این حال، این کار بر روی یک حرکت خاص در یک نانوذره با دقت انتخاب شده متمرکز بود. از این رو، هنوز یک دستورالعمل جهانی برای هر جسم بزرگ نیست. تحقیقات آینده احتمالاً بررسی خواهند کرد که آیا همین اصول می‌توانند حرکات دیگر را کنترل کنند یا با اشکال و مواد مختلف کار کنند.
این مطالعه در مجله Nature Physics منتشر شده است.
