بیگ بنگ: فیزیکدانان قصد دارند یک لیزر اتمی جدید طراحی کنند که می‌تواند برای همیشه روشن بماند و کاربردهای عملی آن می‌تواند بی حد و حصر باشد.

Coherent Matter Waves Crop

به گزارش بیگ بنگ، این دستاورد جدید به دانشمندان امکان ساخت پرتوی اتم‌هایی را می‌دهد که رفتاری مثل لیزر دارد و از دید نظری، می‌تواند تا ابد جریان داشته باشد. دستاورد فوق شاید به این معنا باشد که این فناوری سرانجام در مسیر کاربرد عملی قرار گرفته است، البته باید توجه داشت که کماکان محدودیت‌های بسیاری پیش روی‌مان قرار دارد. با این حال، دانشمندان گام بسیار بزرگی در راستای پدیده‌ای موسوم به «لیزر اتمی» برداشته‌اند؛ پرتوی ساخته شده از اتم‌هایی که در قالب یک موج حرکت می‌کنند. شاید بتوان روزی از آن برای آزمایش ثابت‌های بنیادی فیزیک و مهندسیِ فناوری دقت استفاده نمود.

اولین لیزر اتمی به دست تیمی از فیزیکدان‌های دانشگاه ام‌آی‌تی در سال ۱۹۹۶ ساخته شد. این مفهوم خیلی ساده به نظر می‌رسد؛ همچنان‌که لیزر نورمحور از فوتون‌هایی ساخته شده که همزمان با امواج‌شان حرکت می‌کنند، لیزرِ ساخته شده از اتم نیز نیازمند ماهیت موج‌مانندِ مخصوص خود است تا پیش از حرکت در قالب پرتو به همترازی برسد. البته این هم مثل سایر چیزهایی که در علم دیده‌اید، به راحتی مفهوم‌سازی می‌شود، اما درک آن قدری سخت است. نوعی حالت ماده تحت عنوان «چگالش بوز اینشتین» در بطن این مفهوم قرار دارد. از کلمه‌ی خلاصه شده‌ی «BEC» برای چگالش بوز اینشتین استفاده می‌شود. این حالت ماده با سرد کردنِ ابری از بوزون‌ها تا کسری بالای صفر مطلق ساخته می‌شود. در چنین دماهای پایینی، اتم‌ها بدون اینکه به طور کامل متوقف شوند، به پایین‌ترین سطح انرژی خود می‌رسند.

وقتی اتم‌ها به این انرژی پایین می‌رسند، ویژگی‌های کوانتومی ذرات دیگر تداخلی با یکدیگر نخواهند داشت؛ آنها به قدری نزدیک به یکدیگر حرکت می‌کنند که گویی با هم هم‌پوشانی دارند؛ ماحصلِ آن، ایجاد ابر پرچگالی از اتم‌هایی است که مانند یک ابَر اتم یا موج ماده رفتار می‌کنند. با این حال، “چگالش بوز اینشتین” چیزی شبیه یک پارادوکس است. این وضعیت بسیار ظریف و شکننده است، حتی نور می‌تواند “چگالش بوز اینشتین” را در هم بشکند. با توجه به اینکه اتم‌های موجود در “چگالش بوز اینشتین” با استفاده از لیزرهای نوری سرد می‌شوند، این معمولا بدان معناست که موجودیت “چگالش بوز اینشتین” گذرا و موقتی است.

آن دسته از لیزرهای اتمی که دانشمندان تا به امروز موفق به ساخت‌شان شده‌اند، دارای ماهیت پالسی هستند، نه پیوسته. همچنین، طی آن، یک پالس پیش از تولید چگالش بوز اینشتینِ جدید شلیک می‌شود. گروهی از محققانِ دانشگاه آمستردام هلند در حین ساخت چگالش بوز اینشتینِ پیوسته متوجه شدند که باید تغییری ایجاد کرد. یک فیزیکدان به نام “فلوریان شرک” این‌چنین توضیح می‌دهد: «در آزمایش‌های قبلی، سرد کردنِ تدریجیِ اتم‌ها به طور کلی در یک مکان انجام می‌شد. ما تصمیم گرفتیم مراحل کاهش دما را نَه در “زمان”، بلکه در “فضا” پخش کنیم. ما اتم‌ها را مجبور به حرکت می‌کنیم، همزمان که آنها مراحل کاهش دما را به صورت پشت سر هم طی می‌کنند. در پایان، اتم‌هایِ فوق سرد به کانون آزمایش می‌رسند، جایی که این اتم‌ها برای ساخت امواج مادۀ منسجم در چگالش بوز اینشتین مورد استفاده قرار می‌گیرند. اما همزمان که این اتم‌ها به کار برده می‌شوند، اتم‌های دیگری در مرحله تولید قرار دارند تا “چگالش بوز اینشتین” را تجدید کنند. به این ترتیب، می‌توان فرایند را تداوم بخشید؛ اساساً برای همیشه.»

«قلب یا کانون آزمایش» تله‌ای است که از “چگالش بوز اینشتین” در برابر نور محافظت می‌کند؛ به مانند مخزنی که به طور مداوم پر می‌شود، یعنی تا زمانی که آزمایش ادامه داشته باشد. البته محافظت از “چگالش بوز اینشتین” در برابر نوری که با لیزر نسبتاً سرد ساخته شده است، اگرچه به لحاظ نظری کار ساده‌ای جلوه می‌کند، اما در عمل با دشواری‌های بسیاری همراه است. نه تنها موانع فنی در مسیر قرار داشت، بلکه موانع مدیریتی و سازمانی نیز بر پیچیدگی کار افزوده بود.

فیزیکدان “چون چیا چِن” که سرپرست تحقیق را بر عهده داشت، گفت: «وقتی در سال ۲۰۱۳ عازم آمستردام شدیم، امید زیادی در دل داشتیم؛ کمک‌هزینه‌هایی دریافت کرده بودیم و یک اتاق خالی در اختیار داشتیم؛ مهم‌تر از همه، با تیمی کار می‌کردیم که با هزینه‌های شخصی، برای انجام کارهای تحقیقاتی اعلام آمادگی کرده بودند. ۶ سال بعد، در ساعات ابتداییِ صبح کریسمس ۲۰۱۹، آزمایش بالاخره در آستانه‌ی این بود که نتیجه‌ی تلاش‌مان را ارائه کند. این ایده را در سر داشتیم که یک پرتو لیزر دیگری را به منظور حلِ مشکل فنیِ آخر اضافه کنیم؛ هر تصویری هم که گرفتیم، نشان از “چگالش بوز اینشتین” داشت؛ اولین چگالش بوز اینشتین موج پیوسته.»

حال که نخستین بخش از «لیزر اتم پیوسته» به تحقق پیوسته است، گام بعدیِ دانشمندان این است که به «پرتو اتم پایدار» دست یابند. آنها می‌توانند با انتقال اتم‌ها به یک حالت «غیرمحبوس» به این مهم دست یابند؛ در نتیجه، یک موج مادۀ پخش‌شونده به دست می‌آید. از آنجا که محققان از اتم‌های استرانیوم استفاده کردند، که گزینه‌های محبوبی برای “چگالش بوز اینشتین” به حساب می‌آید، فرصت‌های هیجان‌انگیزی می‌تواند شکل گیرد. لذا می‌توان از این اتم‌ها برای بررسی نسبیت و مکانیک کوانتوم یا شناسایی امواج گرانشی استفاده کرد. جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریۀ Nature منتشر شده است.

ترجمه: منصور نقی‌لو/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: sciencealert.com

دیدگاهتان را بنویسید

این سایت از اکیسمت برای کاهش هرزنامه استفاده می کند. بیاموزید که چگونه اطلاعات دیدگاه های شما پردازش می‌شوند.