اعتبار: دی استفانو و همکاران.
در الکترودینامیک کوانتومی، انتخاب پیمانه (یعنی فرمالیسم خاص ریاضی که برای تنظیم درجه های آزادی استفاده می شود) می تواند تا حد زیادی بر شکل تعاملات نور - ماده تأثیر گذارد. جالب توجه است که به هر حال، اصل «تغییر ناپذیری پیمانه» رساننده این است که تمام نتایج فیزیکی باید مستقل از انتخاب پیمانه توسط یک محقق باشد. دریافته شده است که مدل کوانتومی رابی، که اغلب برای توصیف تعاملات نور با ماده در الکترودینامیک کوانتومی حفره از آن استفاده می شود، در حضور جفت شدگی های فوق قوی نور–ماده ناقض این اصل است، و مطالعات گذشته این شکست را به کوتاه سازی سطح محدود سیستم ماده نسبت داد.
گروهی از محققان در پیکن (ژاپن)، Università di Messina (ایتالیا) و دانشگاه میشیگان (ایالات متحده) اخیراً مطالعه ای را برای بررسی بیشتر این موضوع انجام داده اند. در مقاله‌ی آنها که در مجله «فیزیک طبیعت» منتشر شده است، آنها منشأ این نقض پیمانه را شناسایی کردند و روشی را برای استنتاج هامیلتونین های نور-ماده در فضاهای کوتاه شده‌ی هیلبرت فراهم کردند، که می تواند نتایج فیزیکی پیمانه-ثابت را حتی در رژیم های تعاملی مفرط نور-ماده تولید کند.
سالواتوره ساواستا، یکی از محققانی که این تحقیق را انجام داده است، به فیز اُرگ گفت: "جفت شدگی فوق قوی بین نور و ماده، در دهه گذشته از یک ایده نظری به واقعیتی تجربی گذار پیدا کرده است." "این رژیم جدیدی از تعامل نور-ماده کوانتومی است که برای ساخت قدرت جفت شدگی‌ای قابل مقایسه با فرکانس های انتقال در سیستم، فراتر از جفت شدگی ضعیف و قوی می رود. این رژیم ها علاوه بر ایجاد اثرات فیزیکی جدید، و نیز بسیاری از کاربردهای بالقوه، فرصتی را ارائه می دهد برای تعمیق درک ما از جنبه های ظریف تعامل نور و ماده."
در جریان رویدادی که توسط پروفسور فرانکو نوری، که همچنین درگیر این مطالعه بود، سازماندهی شد، بقیه تیم در مورد وجود دو دستنوشته که نشان دهنده شکستی در ثبات پیمانه ای مدل کوانتومی رابی بود، اطلاعات کسب کردند. این شکست به هنگام در نظر گرفتن فعل و انفعال بین یک سیستم دو سطحی و یک تشدید کننده الکترومغناطیسی تک حالتی در حضور یک تعامل قوی اتم-میدان رخ داد.
ساواستا گفت: "از آنجایی که علاقه‌ی فزاینده ای به رژیم جفت شدگی فوق قوی الکترودینامیک کوانتومی حفره وجود دارد و از آنجا که تقارن پیمانه، سنگ بنای فیزیک مدرن است، ما در نظر گرفتیم که این وضعیت خیلی ناخرسند کننده باشد." "این ابهامات پیمانه ای، تعیین کننده‌ی یک فقدان جرئیِ پیش بینی پذیری مدل های کلیدی در الکترودینامیک کوانتومی حفره است که یک رشته مرکزی در اپتیک کوانتومی و فناوری های کوانتومی است."
هنگامی که مؤلفان شروع به بحث در مورد این مشکلات کردند، ساواستا به طور ناگهانی یکی از نخستین مقالات پژوهشی خود را به یاد آورد و همچنین یک تحقیق قدیمی تر انجام شده توسط سرپرست پایان نامه اش رافائلو گیرلاندا در همکاری با آنتونیو کواتروپَنی و پائولو اشوِندیمَن. در این مقاله خاص، محققان نشان دادند که برای نگهداری ثبات پیمانه ای نرخ های انتقال چند فوتونی در جامدات، لازم است یک جمله اصلاحی به تعاملات الکترون-فوتون استاندارد اضافه شود.
ساواستا گفت: "ما شروع به استفاده از این ایده ها برای هدف خود کردیم، که عبارت بود از استنتاج یک توضیح کوانتومی تعامل نور-ماده برای قدرت های فعل و انفعال های دلخواه که عاری از ابهامات پیمانه ای هستند، علیرغم تقریب های غیر قابل اجتنابی که معمولاً برای مدیریت محاسبات معرفی می شوند."
در فیزیک، "اصل پیمانه ای" بیان می کند که نیاز است به هر مؤلفه اندازه حرکت در همیلتونین یک سیستم ماده یک مؤلفه متناظر مختصات میدان اضافه شود. به این روش به عنوان "جایگزینی جفت شدگی کمینه" ارجاع می شود.
ساواستا و همکارانش کار خود را بر روی مشاهدات جمع آوری شده توسط مطالعات قبلی انجام دادند، که نشان می داد تقریب ها در توصیف سیستم ماده می تواند پتانسیل موضعی اتمی را به یک پتانسیل غیر موضعی اتمی تبدیل کند که می تواند، بسته به هر دو موقعیت و اندازه حرکتش، به عنوان اپراتورهای کوانتومی بیان شود. در این مورد، برای برآوردن اصل پیمانه ای، لازم است که جایگزینی جفت شدگی کمینه به پتانسیل نیز اعمال شود.
ساواستا توضیح داد: "ما از یک تکنیک اپراتور استفاده کردیم که قبلا توسط یکی از نویسندگان توسعه یافت، که قادر به کار مناسب است حتی اگر پتانسیل غیر موضعی واقعی سیستم ماده ناشناخته باشد."
"تا کنون، تأثیر پتانسیل های غیرموضعی روی فعل و انفعال تنها تا مرتبه دوم در پتانسیل برداری در نظر گرفته شده است. ما دریافتیم که وقتی سیستم ماده بسیار غیر خطی است و زمانی که قدرت جفت شدگی بسیار بالاست، تمام مرتبه ها باید به حساب آورده شوند."
مطالعه‌ی انجام شده توسط ساواستا و همکارانش، بینش بسیار مهمی برای میدان الکترودینامیکی کوانتومی ارائه می‌دهد. اول و مهمتر از همه، کار آنها نشان می دهد که یک روش ساده برای به دست آوردن یک توصیف ثبات پیمانه ای از تعامل نور-ماده وجود دارد که علیرغم تقریب‌ها و با قدرت های تعامل مفرط معتبر می ماند.
ساواستا گفت: "نتایج ما روشنایی بخش ثبات پیمانه ای در رژیم های غیر اختلالی و تعامل مفرط است و همچنین جدال های طولانی مدت ناشی از ابهام های پیمانه ای در مدل های کوانتومی رابی و دیک (که بسطی از مدل کوانتومی رابی برای بسیاری از گسیلنده های کوانتومی است) را حل می کند." یک روش ساده برای به دست آوردن یک توصیف ثبات پیمانه ای از تعامل نور-ماده وجود دارد که علیرغم تقریب‌ها و با قدرت های تعامل مفرط معتبر می ماند. "با انجام این کار، آنها امکان یک پیش‌بینی/توضیح نظری دقیق و بدون ابهام در مورد نتایج آزمایشی در الکترودینامیک کوانتومی حفره فوق قوی را فراهم می کنند."
یافته های جمع آوری شده توسط این تیم از محققان، درک های دقیق و در عین حال مربوط جنبه های کوانتومی فعل و انفعال بین نور و ماده را تعمیق می بخشد. آنها همچنین ممکن است به حل مسائل جنجالی و بحث های مداوم ناشی از مشاهدات گذشته ابهام های پیمانه ای در مدل های کوانتومی رابی و دیک کمک کنند. در آینده، رژیم های مفرط، که مطالعاتشان روی آنها متمرکز است، می توانند موجب افزایش بروز اثرات فیزیکی و کاربردی جدید شوند، در حالی که همچنین دانش جاری محققین در مورد الکترودینامیک کوانتومی حفره را به چالش می کشند.
منبع: اینگرید فَدِلی، Phys.org
در الکترودینامیک کوانتومی، انتخاب پیمانه (یعنی فرمالیسم خاص ریاضی که برای تنظیم درجه های آزادی استفاده می شود) می تواند تا حد زیادی بر شکل تعاملات نور - ماده تأثیر گذارد. جالب توجه است که به هر حال، اصل «تغییر ناپذیری پیمانه» رساننده این است که تمام نتایج فیزیکی باید مستقل از انتخاب پیمانه توسط یک محقق باشد. دریافته شده است که مدل کوانتومی رابی، که اغلب برای توصیف تعاملات نور با ماده در الکترودینامیک کوانتومی حفره از آن استفاده می شود، در حضور جفت شدگی های فوق قوی نور–ماده ناقض این اصل است، و مطالعات گذشته این شکست را به کوتاه سازی سطح محدود سیستم ماده نسبت داد.
گروهی از محققان در پیکن (ژاپن)، Università di Messina (ایتالیا) و دانشگاه میشیگان (ایالات متحده) اخیراً مطالعه ای را برای بررسی بیشتر این موضوع انجام داده اند. در مقاله‌ی آنها که در مجله «فیزیک طبیعت» منتشر شده است، آنها منشأ این نقض پیمانه را شناسایی کردند و روشی را برای استنتاج هامیلتونین های نور-ماده در فضاهای کوتاه شده‌ی هیلبرت فراهم کردند، که می تواند نتایج فیزیکی پیمانه-ثابت را حتی در رژیم های تعاملی مفرط نور-ماده تولید کند.
سالواتوره ساواستا، یکی از محققانی که این تحقیق را انجام داده است، به فیز اُرگ گفت: "جفت شدگی فوق قوی بین نور و ماده، در دهه گذشته از یک ایده نظری به واقعیتی تجربی گذار پیدا کرده است." "این رژیم جدیدی از تعامل نور-ماده کوانتومی است که برای ساخت قدرت جفت شدگی‌ای قابل مقایسه با فرکانس های انتقال در سیستم، فراتر از جفت شدگی ضعیف و قوی می رود. این رژیم ها علاوه بر ایجاد اثرات فیزیکی جدید، و نیز بسیاری از کاربردهای بالقوه، فرصتی را ارائه می دهد برای تعمیق درک ما از جنبه های ظریف تعامل نور و ماده."
در جریان رویدادی که توسط پروفسور فرانکو نوری، که همچنین درگیر این مطالعه بود، سازماندهی شد، بقیه تیم در مورد وجود دو دستنوشته که نشان دهنده شکستی در ثبات پیمانه ای مدل کوانتومی رابی بود، اطلاعات کسب کردند. این شکست به هنگام در نظر گرفتن فعل و انفعال بین یک سیستم دو سطحی و یک تشدید کننده الکترومغناطیسی تک حالتی در حضور یک تعامل قوی اتم-میدان رخ داد.
ساواستا گفت: "از آنجایی که علاقه‌ی فزاینده ای به رژیم جفت شدگی فوق قوی الکترودینامیک کوانتومی حفره وجود دارد و از آنجا که تقارن پیمانه، سنگ بنای فیزیک مدرن است، ما در نظر گرفتیم که این وضعیت خیلی ناخرسند کننده باشد." "این ابهامات پیمانه ای، تعیین کننده‌ی یک فقدان جرئیِ پیش بینی پذیری مدل های کلیدی در الکترودینامیک کوانتومی حفره است که یک رشته مرکزی در اپتیک کوانتومی و فناوری های کوانتومی است."
هنگامی که مؤلفان شروع به بحث در مورد این مشکلات کردند، ساواستا به طور ناگهانی یکی از نخستین مقالات پژوهشی خود را به یاد آورد و همچنین یک تحقیق قدیمی تر انجام شده توسط سرپرست پایان نامه اش رافائلو گیرلاندا در همکاری با آنتونیو کواتروپَنی و پائولو اشوِندیمَن. در این مقاله خاص، محققان نشان دادند که برای نگهداری ثبات پیمانه ای نرخ های انتقال چند فوتونی در جامدات، لازم است یک جمله اصلاحی به تعاملات الکترون-فوتون استاندارد اضافه شود.
ساواستا گفت: "ما شروع به استفاده از این ایده ها برای هدف خود کردیم، که عبارت بود از استنتاج یک توضیح کوانتومی تعامل نور-ماده برای قدرت های فعل و انفعال های دلخواه که عاری از ابهامات پیمانه ای هستند، علیرغم تقریب های غیر قابل اجتنابی که معمولاً برای مدیریت محاسبات معرفی می شوند."
در فیزیک، "اصل پیمانه ای" بیان می کند که نیاز است به هر مؤلفه اندازه حرکت در همیلتونین یک سیستم ماده یک مؤلفه متناظر مختصات میدان اضافه شود. به این روش به عنوان "جایگزینی جفت شدگی کمینه" ارجاع می شود.
ساواستا و همکارانش کار خود را بر روی مشاهدات جمع آوری شده توسط مطالعات قبلی انجام دادند، که نشان می داد تقریب ها در توصیف سیستم ماده می تواند پتانسیل موضعی اتمی را به یک پتانسیل غیر موضعی اتمی تبدیل کند که می تواند، بسته به هر دو موقعیت و اندازه حرکتش، به عنوان اپراتورهای کوانتومی بیان شود. در این مورد، برای برآوردن اصل پیمانه ای، لازم است که جایگزینی جفت شدگی کمینه به پتانسیل نیز اعمال شود.
ساواستا توضیح داد: "ما از یک تکنیک اپراتور استفاده کردیم که قبلا توسط یکی از نویسندگان توسعه یافت، که قادر به کار مناسب است حتی اگر پتانسیل غیر موضعی واقعی سیستم ماده ناشناخته باشد."
"تا کنون، تأثیر پتانسیل های غیرموضعی روی فعل و انفعال تنها تا مرتبه دوم در پتانسیل برداری در نظر گرفته شده است. ما دریافتیم که وقتی سیستم ماده بسیار غیر خطی است و زمانی که قدرت جفت شدگی بسیار بالاست، تمام مرتبه ها باید به حساب آورده شوند."
مطالعه‌ی انجام شده توسط ساواستا و همکارانش، بینش بسیار مهمی برای میدان الکترودینامیکی کوانتومی ارائه می‌دهد. اول و مهمتر از همه، کار آنها نشان می دهد که یک روش ساده برای به دست آوردن یک توصیف ثبات پیمانه ای از تعامل نور-ماده وجود دارد که علیرغم تقریب‌ها و با قدرت های تعامل مفرط معتبر می ماند.
ساواستا گفت: "نتایج ما روشنایی بخش ثبات پیمانه ای در رژیم های غیر اختلالی و تعامل مفرط است و همچنین جدال های طولانی مدت ناشی از ابهام های پیمانه ای در مدل های کوانتومی رابی و دیک (که بسطی از مدل کوانتومی رابی برای بسیاری از گسیلنده های کوانتومی است) را حل می کند." یک روش ساده برای به دست آوردن یک توصیف ثبات پیمانه ای از تعامل نور-ماده وجود دارد که علیرغم تقریب‌ها و با قدرت های تعامل مفرط معتبر می ماند. "با انجام این کار، آنها امکان یک پیش‌بینی/توضیح نظری دقیق و بدون ابهام در مورد نتایج آزمایشی در الکترودینامیک کوانتومی حفره فوق قوی را فراهم می کنند."
یافته های جمع آوری شده توسط این تیم از محققان، درک های دقیق و در عین حال مربوط جنبه های کوانتومی فعل و انفعال بین نور و ماده را تعمیق می بخشد. آنها همچنین ممکن است به حل مسائل جنجالی و بحث های مداوم ناشی از مشاهدات گذشته ابهام های پیمانه ای در مدل های کوانتومی رابی و دیک کمک کنند. در آینده، رژیم های مفرط، که مطالعاتشان روی آنها متمرکز است، می توانند موجب افزایش بروز اثرات فیزیکی و کاربردی جدید شوند، در حالی که همچنین دانش جاری محققین در مورد الکترودینامیک کوانتومی حفره را به چالش می کشند.
منبع: اینگرید فَدِلی، Phys.org
