भौतिकी वैज्ञानिकों ने दशकों पुराने सिद्धांत के अनुमानों को सत्यापित करने के लिए अत्याधुनिक क्वांटम तकनीकी संसाधनों को नियोजित किया है। अध्ययन उन सिद्धांतों पर केंद्रित है जो चरण संक्रमण में सामग्रियों के व्यवहार का वर्णन करते हैं।

जब पदार्थ एक चरण से दूसरे चरण में जाता है, तो विभिन्न विशेषताओं वाले पदार्थ, अप्रत्याशित रूप से, समान गणितीय पैटर्न प्रदर्शित कर सकते हैं। पानी का उबलना या चुंबक का अपनी चुंबकीय शक्ति खोना जैसी घटनाएँ इन चरण परिवर्तनों को दर्शाती हैं।

विलियम के. डेविस चेयर में सैद्धांतिक भौतिकी पढ़ाने वाले जेसन एलिसिया बताते हैं, “सूक्ष्म स्तर पर जटिल विवरण गायब हो जाते हैं, केवल कुछ मौलिक निशान रह जाते हैं।” वह बताते हैं कि यह सार्वभौमिक व्यवहार, जो भौतिकी में जटिल प्रणालियों की समझ को सरल बनाने के लिए महत्वपूर्ण है, को बड़े पैमाने पर गणितीय सूत्रीकरण द्वारा वर्णित किया गया है जिसे कंफर्मल फील्ड सिद्धांत कहा जाता है।

नेचर जर्नल में प्रकाशित एक अध्ययन में, कैल्टेक भौतिकी के प्रोफेसर मैनुअल एंड्रेस और एलिसिया के सैद्धांतिक समूह की प्रायोगिक टीम ने यूनिवर्सिटी पेरिस-सैकले और म्यूनिख के तकनीकी विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं के साथ सहयोग किया। उन्होंने क्वांटम सिमुलेटर का उपयोग करके प्रयोगात्मक रूप से अनुरूप क्षेत्र सिद्धांत के दो अलग-अलग प्रकारों की खोज की, जो क्वांटम कंप्यूटर के विकास से जुड़े कुछ कार्यों के लिए विशिष्ट प्लेटफॉर्म हैं।

इन सिमुलेटरों के लिए विकसित तकनीक के साथ, शोधकर्ता एक अभूतपूर्व और प्रत्यक्ष तरीके से, एक कृत्रिम क्वांटम सामग्री में ऊर्जा के स्तर को मापने में सक्षम थे, जैसा कि आइसिंग कंफॉर्मल और आइसिंग ट्राइक्रिटिकल फील्ड सिद्धांतों द्वारा भविष्यवाणी की गई थी। इज़िंग शब्द अर्न्स्ट इज़िंग को संदर्भित करता है, जो एक भौतिक विज्ञानी थे, जिन्होंने 1920 के दशक में चुंबकत्व के पहले मॉडलों में से एक को स्पष्ट किया था। दो सैद्धांतिक दृष्टिकोण एक सार्वभौमिक अभिव्यक्ति का वर्णन करते हैं जो तब उत्पन्न होती है जब एक क्वांटम प्रणाली, जिसमें उलझाव और सुपरपोजिशन जैसी विशेषताएं होती हैं, दो राज्यों के बीच एक महत्वपूर्ण चरण तक पहुंचती है, जिनमें से एक अधिक व्यवस्थित होती है।

अवस्था के सामान्य परिवर्तन, जैसे कि पानी का वाष्पीकरण, के विपरीत, यह परिवर्तन विशेष रूप से क्वांटम घटना से उत्पन्न होता है और तापमान से स्वतंत्र होता है, जो पूर्ण शून्य के करीब होता है। महत्वपूर्ण बिंदु पर, लेजर किरणें सिस्टम को विशिष्ट ऊर्जाओं की एक श्रृंखला में उत्तेजित करने में सक्षम होती हैं, जो चरणों के समान होती हैं। एलिसिया ने कहा, “सिद्धांतों द्वारा प्रक्षेपित ये ऊर्जा स्तर महत्वपूर्ण हैं क्योंकि इनमें स्वयं सिद्धांतों के बारे में गहन जानकारी होती है।”

क्वांटम प्रौद्योगिकी लंबे समय से चले आ रहे सैद्धांतिक अनुमानों का परीक्षण करती है

लगभग चार दशकों से, भौतिकी वैज्ञानिकों ने इन ऊर्जा स्तरों को परिसीमित करने वाले सटीक अनुपात का अनुमान लगाने के लिए अनुरूप क्षेत्र सिद्धांतों को नियोजित किया है। हालाँकि, वर्तमान अध्ययन तक, इन ऊर्जावान दूरियों को प्रयोगों द्वारा कभी सत्यापित नहीं किया गया था।

एंड्रेस लैब में अध्ययन के सह-प्रमुख लेखक और स्नातक छात्र जियांगकाई सन ने कहा, “हमारे नए उपकरण क्वांटम कंप्यूटिंग प्लेटफार्मों से प्रेरित थे।” “पिछले दस वर्षों में, हमने इन प्रणालियों को नियंत्रित करना सीख लिया है और अब हम उन्हें भौतिकी में मौलिक अनुसंधान करने के लिए लागू कर सकते हैं।”

अनुसंधान दल ने क्वांटम कंप्यूटरों के लिए एंड्रेस की प्रयोगशाला में लागू तकनीक का उपयोग करके क्वांटम प्रणाली को इकट्ठा किया: लेजर बीम द्वारा तय तटस्थ परमाणुओं की व्यवस्था, जिसे ऑप्टिकल चिमटी के रूप में जाना जाता है। हाल ही में, प्रयोगशाला में एक समान प्रणाली एक ही संरचना में 6,100 परमाणुओं को फंसाने में कामयाब रही। भले ही ऑप्टिकल चिमटी मुख्य रूप से क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए विकसित की गई थी, वैज्ञानिकों ने भौतिकी में एक आवश्यक प्रश्न का पता लगाने के लिए इस शोध में उनका उपयोग किया।

अपेक्षित स्पेक्ट्रम परमाणुओं की श्रृंखलाओं से निकलता है

प्रायोगिक प्रक्रिया ऑप्टिकल चिमटी का उपयोग करके स्ट्रोंटियम परमाणुओं की एक पंक्ति में स्थिति के साथ शुरू हुई। पूरक लेजर ने परमाणुओं को उच्च-ऊर्जा रिडबर्ग राज्यों में प्रेरित किया, जिससे आस-पास के परमाणुओं के बीच बातचीत तेज हो गई। इन अंतःक्रियाओं ने पृथक कणों के विपरीत, पूरी श्रृंखला को एकीकृत व्यवहार की ओर अग्रसर किया। फिर, वैज्ञानिकों ने लेज़रों को तब तक कैलिब्रेट किया जब तक कि सिस्टम सिद्धांत द्वारा अनुमानित महत्वपूर्ण स्तर तक नहीं पहुंच गया।

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ऊर्जा के स्तर को मापने के लिए, शोधकर्ताओं ने मल्टी-बॉडी मॉड्यूलेशन स्पेक्ट्रोस्कोपी नामक एक दृष्टिकोण बनाया। उन्होंने विशिष्ट आवृत्तियों पर लेज़रों को बदलते हुए और परमाणुओं की प्रतिक्रिया की तीव्रता को नोट करते हुए, परमाणु श्रृंखला को नाजुक ढंग से उत्तेजित किया। आवृत्तियों की जांच करके और प्रतिक्रिया शिखरों का पता लगाकर, ऊर्जा पैमाने का पुनर्निर्माण करना संभव था। यह अवधारणा वाइन ग्लास के किनारे पर गीली उंगली घुमाने के समान है: कंटेनर सटीक आवृत्ति पर तीव्रता से कंपन करता है, लेकिन आवृत्ति गलत होने पर बहुत कम प्रतिक्रिया करता है।

सन ने कहा, “हमने 35 परमाणुओं तक की श्रृंखलाओं पर प्रयोग को दोहराया, और चरण आइसिंग के अनुरूप क्षेत्र सिद्धांत द्वारा अपेक्षित के रूप में सामने आए: आकार के लिए समायोजित होने के बाद स्पेक्ट्रा एक विलक्षण सार्वभौमिक वक्र में परिवर्तित हो गया।” “इसके बाद, हमने ट्राइक्रिटिकल बिंदु को कैलिब्रेट किया और इसके विशेष स्पेक्ट्रम के निचले स्तरों को मापा, जो सिद्धांत द्वारा निर्धारित विभिन्न अनुपातों में प्रकट हुआ।”

नये ऊर्जा पैटर्न की खोज समरूपता द्वारा संभव हुई है

प्रत्येक परमाणु पर व्यक्तिगत नियंत्रण ने शोधकर्ताओं को ऐसे माप करने की अनुमति दी जो सामान्य पदार्थों पर संभव नहीं होंगे। उत्तेजनाओं को उनकी समरूपता के आधार पर क्रमबद्ध करने से ऊर्जा स्तरों की एक दूसरी श्रेणी प्रकाश में आई, जिसे प्रारंभिक माप में पहचाना नहीं गया था। श्रृंखला के सिरों पर परमाणुओं के संशोधन ने ऊर्जा पैमाने को भी बदल दिया, जिसके परिणामस्वरूप ट्राइक्रिटिकल आइसिंग सिद्धांत द्वारा प्रत्याशित व्यवस्थाएं अलग हो गईं।