قام فريق بحث دولي من إنسبروك وجنيف، لأول مرة، بدراسة التقاطع الأبعاد للمادة الكمومية فائقة البرودة. في النظام بين بعد واحد وبُعدين، ترى الجسيمات الكمومية عالمها على أنه أحادي البعد أو ثنائي الأبعاد اعتمادًا على مقياس الطول الذي يتم اختبارها عليه: بالنسبة للمسافات القصيرة، يكون عالمها ثنائي الأبعاد، ولكنه ثنائي الأبعاد للمسافات الطويلة.
تم نشر النتائج التي تم الحصول عليها من قياسات الارتباط للتو في فيزياء الطبيعة.
لقد عرف سكان المدن الداخلية في مانهاتن أو ميامي هذا الأمر منذ البداية: بالنسبة للمسافات القصيرة، التي تصل إلى طول مربع سكني، يبدو العالم داخل "الأخاديد الحضرية" للمدينة وكأنه ذو بعد واحد. ويفضل اتجاه واحد فقط. ومع ذلك، مع وجود الشوارع المتقاطعة لمسافات أطول، يصبح العالم ثنائي الأبعاد: فمن الممكن أن يستكشف المرء الاتجاه العرضي عند السفر لمسافة كافية.
الجسيمات الكمومية، المحصورة في درجات حرارة منخفضة للغاية في "الأخاديد الضوئية" مع إمكانية حفر نفق كمي إلى الأخاديد المجاورة، "تعرف" أيضًا ما هي أبعادها: فهي أحادية البعد للمسافات القصيرة، ولكنها ثنائية الأبعاد للمسافات الطويلة. تم الكشف عن هذا السلوك مؤخرًا في تجربة نظرية مشتركة أجراها باحثون من قسم الفيزياء التجريبية في جامعة إنسبروك وفي قسم فيزياء المادة الكمومية في جامعة جنيف.
أصبحت الأنظمة الكمومية ذات الأبعاد المنخفضة وفي درجات حرارة منخفضة للغاية في نظام السيولة الفائقة والانحطاط الكمي مجالًا غنيًا للبحث. قد تحتوي السوائل الفائقة ثنائية الأبعاد على إثارات طوبولوجية، وتتميز الأنظمة المتفاعلة أحادية البعد بالعديد من الخصائص غير العادية، والتي يعد تخمر البوزونات من أكثرها إثارة للدهشة.
لا يُعرف سوى القليل عن نظام تقاطع الأبعاد: كيف ترتبط الموائع البوزونية الفائقة ثنائية الأبعاد المتفاعلة بقوة مع البوزونات المتأينة في البعد الواحد؟ وباستخدام الذرات الباردة كمنصة بحث، يمكن الآن دراسة تقاطع الأبعاد مباشرة في التجربة.
في الاختبار الأول، بحث الفيزيائيون في خصائص الارتباط بين البوزونات المتفاعلة والمقتصرة على بلورات الضوء المتغيرة. في الأبعاد المختلطة، وجدوا انحطاطًا مميزًا ثنائي الميل لوظيفة ارتباط الجسم الواحد، مما يعكس حقيقة أن الجسيمات أحادية البعد وثنائية الأبعاد في نفس الوقت.
يقول يانليانج جو، أحد المؤلفين الرئيسيين لهذا العمل، وهو باحث ما بعد الدكتوراه في إنسبروك: "نظامنا أحادي الأبعاد وثنائي الأبعاد في وقت واحد". "يعتمد الأمر على كيفية استجوابنا للنظام."
يوافق هيبينج ياو، وهو باحث ما بعد الدكتوراه في جنيف، والذي أجرى المحاكاة العددية والتحليل باستخدام أحدث أساليب مونت كارلو الكمومية، على ذلك الرأي. "يمكننا الآن أن نتتبع بشكل مباشر كيف يؤثر التغيير المستمر في أبعاد النظام على الخصائص الجماعية للسوائل الفائقة."
يقول يانليانج جو: "كانت تجاربنا بمثابة مفاجأة لنا في المتجر". "في ضوء النمذجة العددية عالية الجودة لدينا، يمكننا الآن استخدام قياسات الارتباط لتحديد درجة حرارة سوائلنا الكمومية في 1D، 2D، وما بينهما، بدقة عالية جدًا. وهذا قد يفتح الطريق أمام اكتشافات جديدة، على سبيل المثال لاستكشاف مرحلة زجاج بوز بعيدة المنال.
ويوافق هيبينج ياو على ذلك قائلاً: "إن قياسات الارتباط، عند إجرائها للبوزونات عند درجات حرارة منخفضة جدًا وفي وجود إمكانات عشوائية، يجب أن تظهر توقيعات زجاج بوز".
وستكون النتائج بمثابة نقطة انطلاق لمزيد من الأبحاث حول المادة الكمومية منخفضة الأبعاد وتقاطع أبعادها.