14 ژوئن 2022 – توسط دانشگاه آمستردام
بخش مرکزی آزمایش که در آن امواج ماده منسجم ایجاد می شود. اتم‌های تازه (آبی) به داخل می‌افتند و به سمت میعانات بوز-اینشتین در مرکز می‌روند. در حقیقت، اتم ها با چشم غیر مسلح قابل مشاهده نیستند. اعتبار: Scixel.
لیزرها امواج منسجمی از نور تولید می کنند: تمام نور درون لیزر کاملاً هماهنگ می لرزد. در همین حال، مکانیک کوانتومی به ما می گوید که ذراتی مانند اتم ها نیز باید به عنوان امواج در نظر گرفته شوند. در نتیجه، می‌توانیم «لیزرهای اتمی» حاوی امواج منسجم ماده بسازیم. اما آیا می‌توانیم این امواج ماده را ماندگار کنیم تا بتوان از آنها در کاربردها استفاده کرد؟ در تحقیقی که این هفته در نیچر منتشر شد، تیمی از فیزیکدانان آمستردام نشان دادند که پاسخ این سوال مثبت است.
همگام سازی بوزون ها برای راهپیمایی
مفهومی که زیربنای لیزر اتمی است، به اصطلاح میعان بوز-اینشتین یا به اختصار BEC است. ذرات بنیادی در طبیعت در دو نوع فرمیون و بوزون وجود دارند. فرمیون ها ذراتی مانند الکترون ها و کوارک ها هستند – بلوک های سازنده ماده ای که ما از آن ساخته شده ایم. بوزون ها از نظر ماهیت بسیار متفاوت هستند: آنها مانند فرمیون ها سخت نیستند، اما نرم هستند: به عنوان مثال، آنها می توانند بدون مشکل در یکدیگر حرکت کنند. شناخته‌شده‌ترین مثال از بوزون، فوتون است، کوچک‌ترین مقدار ممکن نور. اما ذرات ماده همچنین می توانند برای تشکیل بوزون ترکیب شوند – در واقع، کل اتم ها می توانند درست مانند ذرات نور رفتار کنند. چیزی که بوزون‌ها را بسیار خاص می‌کند این است که همه آنها می‌توانند دقیقاً در یک زمان دقیقاً در یک حالت باشند، یا با عبارت‌های فنی‌تر بیان شوند، می‌توانند در یک موج منسجم «متراکم» شوند. وقتی این نوع متراکم برای ذرات ماده اتفاق می افتد، فیزیکدانان ماده حاصل را چگالش بوز-اینشتین می نامند.
در زندگی روزمره ما اصلاً با این میعانات آشنا نیستیم. دلیل بسیار دشوار است که بتوان اتم ها را به یک شکل رفتار کرد. مقصر تخریب همزمانی دما است – زمانی که یک ماده گرم می شود، ذرات تشکیل دهنده شروع به تکان خوردن می کنند و عملاً غیرممکن می شود که آنها را وادار به یکسان رفتار کنند. فقط در دماهای بسیار پایین، حدود یک میلیونیم درجه بالای صفر مطلق (حدود 273 درجه زیر صفر در مقیاس سانتیگراد)، احتمال تشکیل امواج ماده منسجم BEC وجود دارد.
ترکیدن های زودگذر
ربع قرن پیش، اولین میعانات بوز-انیشتین در آزمایشگاه‌های فیزیک ساخته شد. این امکان را برای ساخت لیزرهای اتمی باز کرد – دستگاه هایی که به معنای واقعی کلمه پرتوهای ماده را تولید می کنند – اما این دستگاه ها فقط برای مدت بسیار کوتاهی قادر به کار بودند. لیزرها می توانستند پالس هایی از امواج ماده تولید کنند، اما پس از ارسال چنین پالسی، قبل از ارسال پالس بعدی، یک BEC جدید باید ایجاد می شد. برای اولین قدم به سمت لیزر اتمی، این بد نبود. در واقع، قبل از اینکه فیزیکدانان قادر به ایجاد لیزرهای پیوسته باشند، لیزرهای نوری معمولی نیز در یک نوع پالسی ساخته شدند. اما در حالی که پیشرفت‌ها برای لیزرهای نوری بسیار سریع پیش رفته بود، اولین لیزر پیوسته در عرض شش ماه پس از همتای پالسی خود تولید شد، برای لیزرهای اتمی نسخه پیوسته آن برای بیش از 25 سال مبهم باقی ماند.
واضح بود که مشکل چیست BECها بسیار شکننده هستند و با تابش نور به آنها به سرعت از بین می روند. با این حال وجود نور در تشکیل میعان بسیار مهم است: برای خنک کردن یک ماده تا یک میلیونم درجه، باید اتم های آن را با استفاده از نور لیزر خنک کرد. در نتیجه، BECها به انفجارهای زودگذر محدود شدند، بدون هیچ راهی برای حفظ انسجام آنها.
یک هدیه کریسمس
تیمی از فیزیکدانان از دانشگاه آمستردام اکنون موفق به حل مشکل دشوار ایجاد یک میعانات پیوسته بوز-اینشتین شده اند. Florian Schreck، رهبر تیم، توضیح می دهد که این ترفند چه بود. “در آزمایش‌های قبلی، خنک‌سازی تدریجی اتم‌ها همه در یک مکان انجام می‌شد. در راه‌اندازی ما، تصمیم گرفتیم مراحل خنک‌سازی را نه در طول زمان، بلکه در فضا پخش کنیم: ما با اتم‌ها را در حالی که در مراحل متوالی خنک‌سازی پیش می‌روند حرکت می‌کنیم. در پایان، اتم های فوق سرد به قلب آزمایش می رسند، جایی که می توان از آنها برای تشکیل امواج ماده منسجم در یک BEC استفاده کرد. ما می توانیم این روند را ادامه دهیم – اساساً برای همیشه.”
در حالی که ایده اساسی نسبتاً ساده بود، اجرای آن قطعاً چنین نبود. چون-چیا چن، اولین نویسنده این نشریه در نیچر، به یاد می‌آورد: «در سال 2012، تیم – که در آن زمان هنوز در اینسبروک بود- تکنیکی را درک کردند که به BEC اجازه می‌دهد از نور خنک‌کننده لیزر محافظت شود و برای اولین بار خنک‌سازی لیزری را ممکن می‌سازد. در حالی که این اولین گام حیاتی به سمت چالش طولانی مدت ساخت لیزر اتمی پیوسته بود، همچنین واضح بود که برای پیشبرد آن به یک ماشین اختصاصی نیاز است. حرکت به آمستردام در سال 2013، ما با یک جهش شروع کردیم.
