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भौतिकविदों ने एक अव्यवस्थित प्रणाली में क्वांटम कणों के परस्पर क्रिया के बारे में पुराने प्रश्न का उत्तर दिया | यूसीएसबी

यूसी सांता बारबरा और मैरीलैंड विश्वविद्यालय और वाशिंगटन विश्वविद्यालय में भौतिकविदों ने लंबे समय से भौतिकी प्रश्न का उत्तर पाया है: इंटरपार्टिकल इंटरैक्शन गतिशील स्थानीयकरण को कैसे प्रभावित करते हैं?

यूसीएसबी के एक प्रायोगिक भौतिक विज्ञानी डेविड वेल्ड ने अल्ट्राकोल्ड परमाणु भौतिकी और क्वांटम सिमुलेशन में विशेषज्ञता के साथ कहा, “यह संघनित पदार्थ भौतिकी से विरासत में मिला एक बहुत पुराना प्रश्न है।” प्रश्न ‘अनेक-बॉडी’ भौतिकी की श्रेणी में आता है, जो एक क्वांटम प्रणाली के भौतिक गुणों के बारे में पूछताछ करता है जिसमें कई परस्पर क्रिया करने वाले भाग होते हैं।

जबकि कई-शरीर की समस्याएं दशकों से शोध और बहस का विषय रही हैं, इन प्रणालियों की जटिलता, जैसे कि सुपरपोजिशन और उलझाव जैसे क्वांटम व्यवहार, संभावनाओं की भीड़ को जन्म देते हैं, जिससे अकेले गणना के माध्यम से हल करना असंभव हो जाता है।

“समस्या के कई पहलू आधुनिक कंप्यूटरों की पहुंच से बाहर हैं,” वेल्ड ने कहा।

सौभाग्य से, यह समस्या एक प्रयोग की पहुंच से बाहर नहीं थी जिसमें अल्ट्राकोल्ड लिथियम परमाणु और लेजर शामिल हैं। तो, जब आप एक अव्यवस्थित, अराजक क्वांटम प्रणाली में बातचीत शुरू करते हैं तो क्या उभरता है?

वेल्ड के अनुसार एक “अजीब क्वांटम अवस्था”। “यह एक ऐसी स्थिति है जो विसंगतिपूर्ण है, गुणों के साथ जो कुछ अर्थों में शास्त्रीय भविष्यवाणी और गैर-अंतःक्रियात्मक क्वांटम भविष्यवाणी के बीच स्थित है।”

भौतिकविदों के परिणाम नेचर फिजिक्स पत्रिका में प्रकाशित हुए हैं।

‘विसंगत गैर-स्थानीयकरण’

जब अजीब, प्रति-सहज व्यवहार की बात आती है, तो क्वांटम दुनिया निराश नहीं करती है। उदाहरण के लिए एक नियमित पेंडुलम लें, जो ऊर्जा के स्पंदों के अधीन होने पर ठीक उसी तरह व्यवहार करेगा जैसा हम उम्मीद करते हैं।

वेल्ड ने कहा, “यदि आप इसे किक करते हैं और इसे हर बार एक बार ऊपर और नीचे हिलाते हैं, तो एक शास्त्रीय पेंडुलम लगातार ऊर्जा को अवशोषित करेगा, सभी जगह घूमना शुरू कर देगा और पूरे पैरामीटर स्पेस को अव्यवस्थित रूप से तलाशेगा।”

क्वांटम सिस्टम में अराजकता अलग दिखती है। गति के बजाय, अव्यवस्था कणों को एक प्रकार की गतिरोध में ला सकती है। और जबकि एक किक किया हुआ क्वांटम पेंडुलम या “रोटर” पहले किक से ऊर्जा को अवशोषित कर सकता है – एक शास्त्रीय पेंडुलम के समान – बार-बार किक के साथ, सिस्टम ऊर्जा को अवशोषित करना बंद कर देता है और गति वितरण फ्रीज हो जाता है, जिसे गतिशील रूप से स्थानीयकृत अवस्था के रूप में जाना जाता है।

यह स्थानीयकरण एक “गंदे” इलेक्ट्रॉनिक ठोस के व्यवहार के समान है, जिसमें अव्यवस्था का परिणाम गतिहीन, स्थानीयकृत इलेक्ट्रॉनों में होता है, जिससे ठोस धातु, या कंडक्टर (चलती इलेक्ट्रॉनों) से एक इन्सुलेटर होने के लिए संक्रमण का कारण बनता है।

जबकि स्थानीयकरण की यह स्थिति दशकों से एकल, गैर-अंतःक्रियात्मक कणों के संदर्भ में खोजी गई है, एक अव्यवस्थित प्रणाली में कई, परस्पर क्रिया करने वाले इलेक्ट्रॉनों के साथ क्या होता है? इस तरह के प्रश्न और क्वांटम अराजकता के संबंधित पहलू वेल्ड और उनके सह-लेखक, मैरीलैंड विश्वविद्यालय के सिद्धांतकार विक्टर गैलिट्स्की के दिमाग में थे, जब कई साल पहले गैलिट्स्की सांता बारबरा का दौरा कर रहे थे।

“विक्टर ने जो उठाया वह सवाल था कि क्या होता है, अगर इस शुद्ध गैर-अंतःक्रियात्मक क्वांटम सिस्टम के बजाय जो हस्तक्षेप से स्थिर होता है, तो आपके पास इन रोटर्स का एक गुच्छा होता है और वे सभी एक-दूसरे से टकरा सकते हैं और बातचीत कर सकते हैं,” वेल्ड ने याद किया । “क्या स्थानीयकरण बना रहता है, या यह अंतःक्रियाओं से नष्ट हो जाता है?”

“वास्तव में, यह एक बहुत ही कठिन प्रश्न है जो सांख्यिकीय यांत्रिकी की नींव और एर्गोडिसिटी की मूल धारणा से संबंधित है, जिससे अधिकांश इंटरैक्टिंग सिस्टम अंततः एक सार्वभौमिक राज्य में थर्मल हो जाते हैं,” गैलिट्स्की ने कहा।

एक पल के लिए कल्पना कीजिए कि गर्म कॉफी में ठंडा दूध डाला जाता है। आपके कप के कण, समय के साथ और अपनी बातचीत के माध्यम से, खुद को एक समान, संतुलन की स्थिति में व्यवस्थित कर लेंगे जो न तो पूरी तरह से गर्म कॉफी या ठंडा दूध है।

इस प्रकार का व्यवहार – थर्मलकरण – सभी अंतःक्रियात्मक प्रणालियों से अपेक्षित था। यानी लगभग 16 साल पहले तक जब यह तर्क दिया जाता था कि क्वांटम सिस्टम में गड़बड़ी के परिणामस्वरूप कई-शरीर स्थानीयकरण (एमबीएल) होता है।

“यह घटना, जिसे इस साल की शुरुआत में लार्स ऑनसागर पुरस्कार द्वारा मान्यता दी गई थी, सैद्धांतिक रूप से साबित करना या प्रयोगात्मक रूप से स्थापित करना मुश्किल है,” गैलिट्स्की ने कहा।

वेल्ड के समूह के पास स्थिति पर प्रकाश डालने की तकनीक और विशेषज्ञता थी। उनकी प्रयोगशाला में प्रकाश की एक स्थायी तरंग में निलंबित 100,000 अल्ट्राकोल्ड लिथियम परमाणुओं की एक गैस है। प्रत्येक परमाणु एक क्वांटम रोटर का प्रतिनिधित्व करता है जिसे लेजर पल्स द्वारा किक किया जा सकता है।

वेल्ड ने कहा, “हम परमाणुओं को एक-दूसरे से ढके रखने के लिए फेशबैक अनुनाद नामक एक उपकरण का उपयोग कर सकते हैं, या हम मनमाने ढंग से मजबूत बातचीत के साथ उन्हें एक-दूसरे से उछाल सकते हैं।” एक घुंडी की बारी के साथ, शोधकर्ता लिथियम परमाणुओं को लाइन डांस से मॉश पिट तक ले जा सकते हैं और उनके व्यवहार को पकड़ सकते हैं।

जैसा कि अपेक्षित था, जब परमाणु एक-दूसरे के लिए अदृश्य थे, तो वे लेजर को एक निश्चित बिंदु तक ले गए, जिसके बाद वे बार-बार किक करने के बावजूद गतिशील रूप से स्थानीयकृत अवस्था में चलना बंद कर दिया। लेकिन जब शोधकर्ताओं ने बातचीत को डायल किया, तो न केवल स्थानीय स्थिति कम हो गई, बल्कि सिस्टम शास्त्रीय अराजक व्यवहार की नकल करते हुए बार-बार किक से ऊर्जा को अवशोषित करता दिखाई दिया।

हालांकि, वेल्ड ने बताया, जबकि अंतःक्रियात्मक अव्यवस्थित क्वांटम सिस्टम ऊर्जा को अवशोषित कर रहा था, यह एक शास्त्रीय प्रणाली की तुलना में बहुत धीमी गति से ऐसा कर रहा था।

“हम जो देख रहे हैं वह कुछ ऐसा है जो ऊर्जा को अवशोषित करता है, लेकिन साथ ही साथ एक शास्त्रीय प्रणाली भी नहीं कर सकती है,” उन्होंने कहा। “और ऐसा लगता है कि ऊर्जा समय के साथ रैखिक रूप से बढ़ने के बजाय समय के वर्गमूल के साथ बढ़ रही है। तो बातचीत इसे शास्त्रीय नहीं बना रही है; यह अभी भी एक अजीब क्वांटम राज्य है जो विषम गैर-स्थानीयकरण प्रदर्शित करता है।”

अराजकता के लिए परीक्षण
वेल्ड की टीम ने “इको” नामक एक तकनीक का उपयोग किया जिसमें गतिज विकास को आगे और फिर पीछे की ओर चलाया जाता है ताकि उस तरीके को सीधे मापा जा सके जिसमें बातचीत समय की प्रतिवर्तीता को नष्ट करती है। समय प्रतिवर्तीता का यह विनाश क्वांटम अराजकता का एक प्रमुख हस्ताक्षर है।

“इस बारे में सोचने का एक और तरीका यह पूछना है: सिस्टम के पास कुछ समय बाद प्रारंभिक अवस्था की कितनी मेमोरी है?” लिथियम टीम पर स्नातक छात्र शोधकर्ता सह-लेखक रोशन सज्जाद ने कहा। आवारा प्रकाश या गैस टकराव जैसे किसी भी गड़बड़ी की अनुपस्थिति में, उन्होंने समझाया, अगर भौतिकी को पीछे की ओर चलाया जाता है, तो सिस्टम को अपनी प्रारंभिक स्थिति में वापस आने में सक्षम होना चाहिए।

“हमारे प्रयोग में, हम किक के चरण को उलट कर समय को उलट देते हैं, किक के पहले सामान्य सेट के प्रभावों को ‘पूर्ववत’ करते हैं,” उन्होंने कहा। “हमारे आकर्षण का एक हिस्सा यह था कि विभिन्न सिद्धांतों ने इस प्रकार के अंतःक्रियात्मक सेटअप के परिणाम पर विभिन्न व्यवहारों की भविष्यवाणी की थी, लेकिन किसी ने भी प्रयोग नहीं किया था।”

मुख्य लेखक एलेक काओ ने कहा, “अराजकता का मोटा विचार यह है कि गति के नियम समय-प्रतिवर्ती हैं, फिर भी कई-कण प्रणाली इतनी जटिल और गड़बड़ी के प्रति संवेदनशील हो सकती है कि इसकी प्रारंभिक स्थिति में वापस आना व्यावहारिक रूप से असंभव है।”

मोड़ यह था कि एक प्रभावी रूप से अव्यवस्थित (स्थानीयकृत) स्थिति में, बातचीत ने स्थानीयकरण को कुछ हद तक तोड़ दिया, भले ही सिस्टम ने समय-उलट होने की अपनी क्षमता खो दी हो, उन्होंने समझाया।

“बेवकूफ, आप उम्मीद करते हैं कि बातचीत समय-उलटा को बर्बाद कर देगी, लेकिन हमने कुछ और दिलचस्प देखा: थोड़ी सी बातचीत वास्तव में मदद करती है!” सज्जाद ने जोड़ा। “यह इस काम के अधिक आश्चर्यजनक परिणामों में से एक था।”

वेल्ड, गैलिट्स्की और उनकी टीम इस अस्पष्ट क्वांटम स्थिति को देखने वाले अकेले नहीं थे। वाशिंगटन विश्वविद्यालय के भौतिक विज्ञानी सुभदीप गुप्ता और उनकी टीम ने एक ही समय में एक पूरक प्रयोग किया, एक आयामी संदर्भ में भारी परमाणुओं का उपयोग करके समान परिणाम उत्पन्न किए।

यह परिणाम यूसीएसबी और यूनिवर्सिटी ऑफ मैरीलैंड के नेचर फिजिक्स में प्रकाशित हुआ है।

“यूडब्ल्यू में प्रयोग 25 गुना भारी परमाणुओं के साथ एक बहुत ही कठिन भौतिक शासन में संचालित होते हैं, जो केवल एक आयाम में स्थानांतरित होने के लिए प्रतिबंधित होते हैं, फिर भी समय-समय पर लात मारने से कमजोर-से-रैखिक ऊर्जा वृद्धि को मापा जाता है, एक ऐसे क्षेत्र पर प्रकाश डाला जाता है जहां सैद्धांतिक परिणाम होते हैं। संघर्ष में रहे हैं, ”गुप्ता ने कहा, जिनके समूह ने डलास में टेक्सास विश्वविद्यालय में सिद्धांतकार चुआनवेई झांग और उनकी टीम के साथ सहयोग किया।

ये निष्कर्ष, कई महत्वपूर्ण भौतिकी परिणामों की तरह, अधिक प्रश्न खोलते हैं और अधिक क्वांटम अराजकता प्रयोगों का मार्ग प्रशस्त करते हैं, जहां शास्त्रीय और क्वांटम भौतिकी के बीच प्रतिष्ठित लिंक को उजागर किया जा सकता है।

“डेविड का प्रयोग अधिक नियंत्रित प्रयोगशाला सेटिंग में एमबीएल के गतिशील संस्करण की जांच करने का पहला प्रयास है,” गैलिट्स्की ने कहा। “हालांकि इसने मौलिक प्रश्न को एक या दूसरे तरीके से स्पष्ट रूप से हल नहीं किया है, डेटा दिखाता है कि कुछ अजीब चल रहा है।”

“संघनित पदार्थ प्रणालियों में कई-शरीर स्थानीयकरण पर काम के बहुत बड़े निकाय के संदर्भ में हम इन परिणामों को कैसे समझ सकते हैं?” वेल्ड ने पूछा। “हम पदार्थ की इस स्थिति को कैसे चिह्नित कर सकते हैं? हम देखते हैं कि सिस्टम डेलोकलाइज़ कर रहा है, लेकिन अपेक्षित रैखिक समय निर्भरता के साथ नहीं; वहाँ क्या हो रहा है?

“हम इन और अन्य प्रश्नों की खोज करने वाले भविष्य के प्रयोगों की प्रतीक्षा कर रहे हैं।”

इसके बारे में और पढ़ें दरार मैरीलैंड विश्वविद्यालय में संयुक्त क्वांटम संस्थान से

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