روغن زیتون جنبه های جهانی تغییر فاز در فیزیک را آشکار کرد

محققان امولف در مطالعه اخیرشان از حفره نوری پر از روغن استفاده کردند که در آن نور همانند فرایند جوشاندن آب تحت تغییر فاز قرار می‌گیرد.

"تغییر فاز" یا "گدازفاز"(phase transition) عبارتست از انتقال یک سیستم ترمودینامیکی از یک فاز یا حالت ماده به حالتی دیگر توسط انتقال گرما. این نام بیشتر برای تعریف گذر ماده بین جامد، مایع و گاز، و به ندرت برای پلاسما نیز استفاده می‌شود. فاز یک سیستم ترمودینامیکی و حالت ماده خواص فیزیکی یکنواختی دارا می‌باشد. طی یک تغییر فاز محیط برخی مشخصات محیط، به صورت ناممتد بر اثر تغییر برخی از شرایط خارجی مانند دما، فشار، یا دیگر خواص تغییر می‌کند. برای مثال مایع ممکن است در اثر گرمایش تا نقطه جوش تغییر فاز داده و به گاز تبدیل شود، که در نتیجه آن حجم آن بسیار افزایش می‌یابد. تغییرات فاز به‌ طور گسترده در طبیعت انجام می‌شود و در فناوری‌های گوناگون نیز از تغییرات فاز بهره گرفته شده‌ است.

سیستمی که دانشمندان طی این مطالعه آن را مورد مطالعه و بررسی قرار دادند دارای حافظه است چرا که روغن سبب تعامل فوتون‌ها با یکدیگر می‌شود. با تغییر فاصله بین دو آینه و اندازه گیری انتقال نور در حین انجام آزمایش دانشمندان موفق به کشف یک قانون جهانی شدند که تغییر فاز در یک سیستم دارای حافظه را توصیف می‌کند.

دکتر "سعید رحیم زاده کلاله رودریگز" محقق ارشد این مطالعه گفت: گروه تحقیقاتی تعامل فوتون‌ها در موسسه امولف سامانه غیرخطی و صدا در سیستم‌های فوتونی را مورد مطالعه قرار دادند. یکی از این سیستم‌ها حفره‌ای است که توسط دو آینه در فاصله نزدیک از هم قرار گرفته است. در داخل حفره، نور به عقب و جلو می‌رود زیرا توسط آینه‌ها منعکس می‌شود. قرار دادن چیزی درون چنین حفره نوری، باعث تغییر در خواص سیستم می‌شود. ما با قرار دادن قطره روغن زیتون در داخل حفره، سیستمی دارای حافظه ایجاد کردیم. روغن واسطه‌ای موثر برای تعامل فوتون-فوتون است که ما می‌توانیم آن را با اندازه‌گیری انتقال نور لیزر در این حفره مشاهده کنیم.

رودریگز و "ژو جنگ"(Zou Geng) و "کوین پیترز"(Kevin Peters) دانشجویان مقطع دکترای وی طی این مطالعه انتقال را هنگام افزایش و کاهش فاصله بین دو آینه در سرعت‌های مختلف مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند. آنها دریافتند میزان نوری که از طریق حفره منتقل می‌شود به جهت حرکت آینه‌ها بستگی دارد.

رودریگز در این باره گفت: انتقال نور از طریق حفره غیرخطی است. در فاصله مشخصی بین آینه‌ها، میزان نور منتقل شده به این بستگی دارد که آیا حفره را باز می‌کنیم یا آن را می‌بندیم. این رفتار هیستِرِزیس (Hysteresis) نامیده می‌شود. این رفتار همچنین در تغییر فاز معینی مانند آب جوش یا مواد مغناطیسی نیز مشاهده می‌شود.

در یک تعریف کلی، هیستِرِزیس عبارتست از وابستگیِ حالت ثابت یک سیستم به گذشته‌اش. سیستم‌های دارای هیسترزیس غیرخطی هستند و مدلسازی ریاضی آنها می‌تواند بسیار سخت باشد.

با این حال، در حفره‌ای که در روغن زیتون وجود دارد، هیسترزیس همیشه وجود ندارد، محققان مشاهده کردند که این موضوع زمانی که سرعت را افزایش می‌دهند و حفره باز و بسته می‌شود، رخ می‌دهد.

رودریگز در ادامه افزود: در اسکن‌های سریعتر ما مشاهده کردیم که هیسترزیس به عنوان تابعی از سرعت اسکن ناپدید می‌شود. این اتفاق مستقل از پارامترهایی مانند شدت نور یا استحکام غیرخطی با سرعت جهانی اتفاق می‌افتد. معادلاتی که چگونگی رفتار نور در حفره پر از روغن ما را توصیف می‌کند، مشابه آنچه که مجموعه‌ اتم‌ها، ابررساناها و حتی فیزیک با انرژی بالا را توصیف می‌کنند، هستند. بنابراین، رفتار جهانی که ما آن را کشف کردیم احتمالا در چنین سیستم‌هایی نیز مشاهده می‌شود.

رودریگز در انتها گفت: در حالی که در آینده رفتار جهانی مقیاس را در سایر سیستم‌های دارای حافظه مورد بررسی قرر می‌دهیم بر کارهایی دیگر نیز تمرکز می‌کنیم و تمرکز خودمان را بر روی مطالعه حفره‌های پر از روغن حفظ می‌کنیم. سیستم ما دارای یک سامانه غیرخطی نوری قوی در دمای اتاق است که فرصت‌هایی را برای توسعه برنامه‌های بالقوه فراهم می‌کند. ما اکنون در حال بررسی این موضوع هستیم که دریابیم وقتی دو یا چند حفره به یکدیگر متصل می‌شوند چه اتفاقی رخ می‌دهد. از آنجا که هر سیستم حافظه‌ای دارد، ممکن است یک مجموعه از حفره‌ها در نهایت می‌توانند به عنوان یک ابزار محاسباتی یا حتی در برنامه‌های تشخیصی و سنجش مفید باشند و کاربرد داشته باشند.

یافته‌های این مطالعه در مجله "Physical Review Letters" منتشر شد.