تصویر شماتیک یک هولونومی

دانشمندان دانشگاه روستوک آلمان موفق شده اند در حوزه فیزیک ذرات مقدماتی، ویژگیهای فیزیکی بنیادی را در یک سامانه فوتونیکی بازتولید کنند. نتایج در مجله Nature Physics منتشر شده است.

از دهه 1970، یک مجموعه واقعی از ذرات، کشف و در مدل استاندارد فیزیک ذرات، سازماندهی شد. یک نوع از این ذرات کوارک ها، یعنی سنگ بنای اولیه پروتون ها و نوترون ها، هستند. این ذرات غیرعادی از ویژگی‌های خاص خود تبعیت می‌کنند که آنها را از هر شکل دیگری از ماده متمایز می‌کند. مثلاً در حالیکه فقط یک نوع بار الکتریکی وجود دارد که میتواند مثبت یا منفی باشد، رفتار کوارک ها زمینه ساز قوانین فیزیک کاملا متفاوتی است.

پروفسور استفان شیل Stefan Scheel ، سرپرست گروه پژوهشی اپتیک کوانتومی سیستمهای ماکروسکوپیک در دانشگاه روستوک توضیح میدهد: "در کنار بار الکتریکی آنها، کوارک ها با بار رنگی خاص خود پدیدار میشوند: قرمز، سبز یا آبی. این البته ارتباطی با رنگهای موجود در یک رنگین کمان ندارد".

به دلیل این رفتار عجیب است که کوارک های منفرد سرسختانه از هرگونه مشاهده شدن مستقیم طفره می روند. اخیراً، گروهی از دانشمندان آلمانی موفق به مطالعه تقارن های اساسی کوارک ها با فراهم کردن نور در یک پیکربندی مشابه شدند.

پروفسور الکساندر زامیت Alexander Szameit، سرپرست گروه پژوهشی اپتیک ماده چگال تجربی در دانشگاه روستوک، رویکرد تجربی را به این شکل توضیح میدهد: "با استفاده از پالسهای لیزر پرتوان، ما مدارهای نوری را در یک قطعه شیشه تخت حکاکی می کنیم. در چنین تراشه های فوتونیکی پدیده های پیچیده ای میتوانند مدل سازی شوند که بار رنگی کوارک ها فقط یکی از آنها است."

به منظور شبیه سازی این بار، دانشمندان دانشگاه روستوک باید ویژگیهای شگفت انگیز نور کوانتومی را تحت کنترل در می آوردند. ذرات نور (به اصطلاح فوتون ها) نه تنها میتوانند هم زمان در چندین مکان وجود داشته باشند، بلکه تعداد دلخواهی از آنها میتواند دقیقا در یک مکان موجود باشد.

ورا نیف Vera Neef، یکی از نویسندگان اصلی این پژوهش که به عنوان رساله دکتری خود، روی زمینه نوین اپتیک کوانتومی هولونومیک متمرکز شده، می گوید: "به این ترتیب وقتی که فوتون ها در میان مدارهای فوتونیکی انتشار می یابند، می توان به اصطلاح هولونومی طراحی کرد. این اشیا انتزاعی معمولا در حوزه علاقه مندی ریاضیدانها هستند. اما از قرار معلوم، آنها تقارنهای ممکن یک سیستم کوانتومی را نیز توصیف میکنند و تعدادی ویژگیهای بسیار جالب دارند. برای مثال، به گذشت زمان بستگی ندارند، یعنی یک چیز کمیاب در فیزیک."

نویسنده دوم مقاله، جولین پینسکه Julien Pinske که در دوره دکتری خود هولونومی ها را از دیدگاه فیزیک نظری مطالعه میکند، اینطور شرح میدهد: "به منظور شبیه سازی سه بار رنگی مختلف، ضروری بود که یک هولونومی سه بعدی طراحی شود. تاکنون فقط فوتون ها نتیجه بخش بودند و این ورای شهود روزمره ما از طبیعت قرار می گیرد."

در پی اولین درک تجربی آنها از این اثر، این گروه از دانشمندان نگرش عمیق تری از فیزیک جذاب کوارک ها را پیش بینی می کنند. ورای مطالعه چنین زمینه بنیادی از فیزیک، نتایج گزارش شده شاید در طراحی فناوریهای کوانتومی آینده از جمله کامپیوترهای کوانتومی مفید باشند. در این صورت، شاید هولونومی ها همان جزء مهمی باشند که کوانتومی بودن را به اندازه کافی برای استفاده تجاری مناسب می کند.

منبع خبر:

Particle physics in a humble glass chip: How quantum optics illuminates the nature of the quark

ترجمه خبر: بهناز ساربانها