अव्यवस्था से व्यवस्था की ओर: पक्षियों का झुंड और 'घूमते' कण
भौतिकविदों ने लंबे समय से इस बात का अध्ययन किया है कि जब घटक नए तरीकों से परस्पर क्रिया करते हैं तो पदार्थों में ऊर्जा और गति कैसे उभरती है। अब, उनका शोध एक और भी अजीबोगरीब सीमा का पता लगाता है: कैसे ऊर्जा और व्यवस्था गैर-संतुलन अंतःक्रियाओं से क्वांटम पैमाने पर स्वतःस्फूर्त रूप से उभर सकती है। एक नए अध्ययन में, जापान के शोधकर्ताओं ने एक ऐसी घटना का पता लगाया जिसे वे "क्वांटम सक्रिय पदार्थ" कहते हैं और पाया कि यह एक तरह का झुंड व्यवहार प्रदर्शित करता है जिसे पूरी तरह से क्वांटम यांत्रिकी और गैर-हर्मिटियन गतिशीलता द्वारा संचालित किया जाता है। फिजिकल रिव्यू रिसर्च में प्रकाशित उनके परिणाम बताते हैं कि कैसे झुंड का एक क्वांटम संस्करण बिना किसी स्पष्ट संरेखित अंतःक्रिया के उभर सकता है - सबसे छोटे पैमाने पर उभरते व्यवहार की हमारी समझ की सीमाओं को आगे बढ़ाता है।
अपने शास्त्रीय समकक्ष की तरह जिसे "सक्रिय पदार्थ" के रूप में जाना जाता है, क्वांटम सक्रिय पदार्थ में कई परस्पर क्रियाशील भाग होते हैं जो व्यक्तिगत रूप से ऊर्जा का उपभोग और अपव्यय करते हैं। लेकिन शास्त्रीय प्रणालियों के विपरीत, क्वांटम सक्रिय पदार्थ शास्त्रीय न्यूटोनियन यांत्रिकी के बजाय क्वांटम यांत्रिकी के अजीब नियमों के अनुसार व्यवहार करता है। टोक्यो विश्वविद्यालय के प्रमुख शोधकर्ता काज़ुआकी ताकासन बताते हैं, "शास्त्रीय सक्रिय पदार्थ में, आपके पास पक्षियों की तरह स्व-चालित कण होते हैं जो एक साथ झुंड में रहते हैं।" "हमारे क्वांटम सिस्टम में, 'कण' वास्तव में क्वांटम बिट्स होते हैं जो एक साथ कई अवस्थाओं पर कब्जा कर सकते हैं। और उनकी गति शास्त्रीय प्रक्षेपवक्र द्वारा नहीं बल्कि क्वांटम वेवफंक्शन की जटिल गतिशीलता द्वारा नियंत्रित होती है।"
पिछले शोधकर्ताओं ने सैद्धांतिक रूप से क्वांटम सक्रिय पदार्थ की अवधारणा पेश की थी और दिखाया था कि कैसे गतिशीलता-प्रेरित चरण पृथक्करण जैसी शास्त्रीय घटनाएँ क्वांटम पैमाने पर प्रकट हो सकती हैं। लेकिन ताकासन और उनके सहयोगी क्योसुके अदाची और क्योगो कावागुची शास्त्रीय प्रणाली के अनुरूप बिना क्वांटम गैर-संतुलन गतिशीलता द्वारा पूरी तरह से संचालित उभरते व्यवहारों का प्रत्यक्ष रूप से निरीक्षण करना चाहते थे। ताकासन कहते हैं, "हम पदार्थ की ऐसी अजीब नई अवस्थाओं का पता लगाना चाहते थे जिनका कोई शास्त्रीय समकक्ष नहीं है।"
टीम ने एक-आयामी "क्वांटम स्पिन" का एक सैद्धांतिक मॉडल विकसित किया - क्वांटम बिट्स जो या तो "ऊपर" या "नीचे" इंगित कर सकते हैं - एक पंक्ति में चलते हैं और एक दूसरे के साथ बातचीत करते हैं। उन्होंने दो प्रमुख तत्व पेश किए जो शास्त्रीय सक्रिय पदार्थ प्रणालियों में मौजूद नहीं हैं: स्पिन अवस्थाओं के बीच क्वांटम टनलिंग, और अपव्यय द्वारा संचालित साइटों के बीच असममित, स्पिन-निर्भर हॉपिंग। अदाची कहते हैं, "अपव्यय को आमतौर पर क्वांटम प्रभावों को नष्ट करने वाली चीज़ के रूप में देखा जाता है।" "लेकिन यहाँ हम इसका रचनात्मक रूप से नए उभरते व्यवहारों को प्रेरित करने के लिए उपयोग करते हैं।"
कंप्यूटर पर इस "क्वांटम सक्रिय स्पिन चेन" की क्वांटम गतिशीलता का अनुकरण करते हुए, शोधकर्ताओं ने पदार्थ के एक अजीब नए चरण में एक सहज संक्रमण देखा। स्पिन के बीच किसी भी स्पष्ट संरेखण बातचीत के बिना भी, सिस्टम ने सहज रूप से लंबी दूरी की फेरोमैग्नेटिक व्यवस्था विकसित की - सभी स्पिन पूरी श्रृंखला में एक ही दिशा में इंगित करते हैं। कावागुची कहते हैं, "हम क्वांटम टनलिंग, इंटरैक्शन और अपव्यय के परस्पर क्रिया से पूरी तरह से एक साथ चेन 'झुंड' देखकर आश्चर्यचकित थे।"
तंत्र को समझने के लिए, टीम ने साबित किया कि अपव्यय हमेशा क्वांटम अवस्थाओं की ऊर्जा को बढ़ाता है जहाँ स्पिन यादृच्छिक रूप से इंगित करते हैं, जबकि फेरोमैग्नेटिक रूप से संरेखित अवस्था को अपरिवर्तित छोड़ देते हैं। उन्होंने केवल दो परस्पर क्रियाशील स्पिनों के सरलीकृत मामले को भी हल किया और पाया कि अपव्यय स्पिनों को एक तरह की क्वांटम बाउंड अवस्था में एक साथ कसकर बांधने के लिए प्रेरित करता है। ताकासन बताते हैं, "पैरामैग्नेटिक चरण में जहाँ स्पिन यादृच्छिक रूप से इंगित करते हैं, अपव्यय बाउंड अवस्था विन्यास का पक्षधर होता है, जो सिस्टम को फेरोमैग्नेटिक क्रम की ओर ले जाता है।"
शोधकर्ताओं ने दो-स्पिन बाउंड अवस्था के ऊर्जा लाभ के लिए एक सरल माध्य-क्षेत्र सिद्धांत विकसित किया। इसने पूर्ण सिमुलेशन में देखे गए समान फेरोमैग्नेटिक चरण संक्रमण को गुणात्मक रूप से कैप्चर किया। अदाची कहते हैं, "हमारा माध्य-क्षेत्र सिद्धांत दिखाता है कि लंबी दूरी के क्रम का उद्भव अंततः स्थानीय रूप से अपव्यय द्वारा प्रेरित छोटी दूरी की बाउंड अवस्थाओं से उत्पन्न होता है।" उनका काम इस बारे में कुछ पहली अंतर्दृष्टि प्रदान करता है कि उतार-चढ़ाव, सहसंबंध और सामूहिक व्यवहार केवल क्वांटम नॉनइक्विलिब्रियम डायनेमिक्स से कैसे उभर सकते हैं।
यहाँ उजागर की गई "क्वांटम फ्लोकिंग" की घटना पारंपरिक क्वांटम चरण संक्रमण की सीमाओं से परे है क्योंकि यह सिस्टम की गतिशीलता की जटिल गैर-हर्मिटियन प्रकृति के कारण है। इस प्रकार, यह सामान्य क्वांटम क्रिटिकल बिंदुओं द्वारा वर्णित नहीं किए गए नए प्रकार के महत्वपूर्ण व्यवहार के अनुरूप हो सकता है। टीम अब यह पता लगाने के लिए टेंसर नेटवर्क तकनीकों का उपयोग करके बड़ी प्रणालियों का अनुकरण करने की उम्मीद करती है कि क्या संक्रमण थर्मोडायनामिक सीमा में निरंतर रहता है, और मानक मॉडल से महत्वपूर्ण घातांक कैसे भिन्न हो सकते हैं।
"पहले तो यह जानकर आश्चर्य हुआ कि क्वांटम मॉडल में एजेंटों के बीच विस्तृत बातचीत के बिना भी क्रम दिखाई दे सकता है। यह बायोफिजिकल मॉडल के आधार पर जो अपेक्षित था, उससे अलग था"
काज़ुआकी ताकासन
शोधकर्ताओं ने यह भी कहा कि उनके काम से ठंडे परमाणु गैसों का उपयोग करके प्रोग्राम करने योग्य क्वांटम सिमुलेटर में संभावित कार्यान्वयन की ओर इशारा मिलता है। दो-घटक क्वांटम गैसों और स्पिन-निर्भर हॉपिंग दोनों को प्रयोगात्मक रूप से प्राप्त किया गया है। ताकासन कहते हैं, "हमारा सिद्धांत दिखाता है कि ऑप्टिकल जाली क्षमता में इंजीनियर किए गए अपव्यय का उपयोग करके क्वांटम फ्लोकिंग को सिद्धांत रूप में कैसे देखा जा सकता है।" अधिक व्यापक रूप से, उन्होंने कहा कि उनके परिणाम प्रदर्शित करते हैं कि क्वांटम पैमाने पर गैर-संतुलन उतार-चढ़ाव पर ठीक नियंत्रण कैसे जटिल संरचनाओं की निर्देशित स्व-संयोजन को सक्षम कर सकता है - उभरते कार्यों के साथ नई सक्रिय क्वांटम सामग्री को साकार करने का मार्ग प्रदान करता है।
क्वांटम सिमुलेशन और आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस के साथ अल्ट्रा-स्मॉल में खोज में तेजी लाने के साथ, वैज्ञानिक अज्ञात क्षेत्रों में गहराई से आगे बढ़ते रहते हैं जहां क्वांटम, संतुलन से दूर और सामूहिक घटनाएं एक दूसरे को काटती हैं। ताकासन, अदाची और कावागुची का काम दिखाता है कि क्वांटम उतार-चढ़ाव और गैर-संतुलन प्रक्रियाओं के परस्पर क्रिया के माध्यम से आदर्श क्वांटम सिस्टम के भीतर भी अजीब मैक्रोस्कोपिक व्यवस्था कैसे स्वयं को व्यवस्थित कर सकती है। क्वांटम फ्लोकिंग की उनकी खोज एक विशाल, अज्ञात परिदृश्य का सुझाव देती है जहां कई क्वांटम घटकों की शोर भरी गतिशीलता से सिंक्रोनाइज़ेशन, फ्लोकिंग और अन्य सामूहिक व्यवहार स्वतः ही उभर सकते हैं। जैसे-जैसे क्वांटम इंजीनियरिंग आगे बढ़ती है, ऐसी घटनाएं एक दिन सबसे छोटे पैमाने पर सहकारी उतार-चढ़ाव से उत्पन्न होने वाली उभरती हुई कार्यक्षमता के साथ नई क्वांटम तकनीकों के डिजाइन को सूचित कर सकती हैं।
संदर्भ
- काज़ुआकी ताकासन, क्योसुके अदाची, क्योगो कावागुची। एक-आयामी क्वांटम कई-शरीर प्रणालियों में गतिविधि-प्रेरित फेरोमैग्नेटिज्म। फिजिकल रिव्यू रिसर्च , 2024; 6 (2) DOI: 10.1103/PhysRevResearch.6.023096
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