۱۱ مه ۲۰۲۵-دو نوع اتم، بوزون‌ها در سمت چپ، خوشه‌بندی را نشان می‌دهند در حالی که فرمیون‌ها در سمت راست، ضد-خوشه‌بندی را نشان می‌دهند – منبع: سمپسون ویلکاکس / MIT
فیزیکدانان MIT اولین تصاویر از اتم‌های منفرد را که آزادانه در فضا در تعامل هستند، ثبت کرده‌اند. این تصاویر، همبستگی‌هایی را بین ذرات «آزاد-برد» نشان می‌دهند که تاکنون پیش‌بینی شده بودند اما هرگز به طور مستقیم مشاهده نشده بودند. یافته‌های آنها به دانشمندان کمک می‌کند تا پدیده‌های کوانتومی دیده نشده در فضای واقعی را تجسم کنند.
این تصاویر با استفاده از تکنیکی که توسط این تیم توسعه داده شده است، گرفته شده است که به ابری از اتم‌ها اجازه می‌دهد تا آزادانه حرکت کنند و تعامل داشته باشند تا زمانی که شبکه‌ای از نور روشن شود که اتم‌ها را به طور خلاصه در مسیر خود منجمد می‌کند. لیزرهای تنظیم‌شده‌ی دقیق، اتم‌های معلق را به طور خلاصه روشن می‌کنند و تصویری از موقعیت آنها قبل از اینکه اتم‌ها به طور طبیعی پراکنده شوند، ایجاد می‌کنند.
فیزیکدانان به دنبال مقایسه انواع مختلف اتم‌ها، از جمله «بوزون‌ها»، بودند که در یک پدیده کوانتومی برای تشکیل موج جمع می‌شدند. آنها همچنین اتم‌هایی به نام «فرمیون‌ها» را در مسیر جفت شدن در فضای آزاد – مکانیسم کلیدی که ابررسانایی را ممکن می‌سازد – به دام انداختند.
مارتین زویرلین، استاد فیزیک در MIT، می‌گوید: «ما می‌توانیم اتم‌های منفرد را در این ابرهای جالب اتم‌ها و آنچه را که در رابطه با یکدیگر انجام می‌دهند، ببینیم که زیباست.»
یک اتم منفرد حدود یک دهم نانومتر قطر دارد که یک میلیونیم ضخامت یک رشته موی انسان است. برخلاف مو، اتم‌ها طبق قوانین مکانیک کوانتومی رفتار و تعامل می‌کنند. این ماهیت کوانتومی آنهاست که درک اتم‌ها را دشوار می‌کند. به عنوان مثال، ما نمی‌توانیم به طور همزمان دقیقاً بدانیم که یک اتم کجاست و با چه سرعتی حرکت می‌کند.
تکنیک‌های تصویربرداری فعلی فقط به شما امکان می‌دهند شکل و ساختار کلی یک ابر اتم را ببینید – مانند نگاه کردن به یک ابر در آسمان، اما نمی‌توانید قطرات منفرد تشکیل دهنده ابر را ببینید.این تکنیک جدید «میکروسکوپ تفکیک‌شده با اتم» نام دارد و شامل ابتدا محصور کردن ابری از اتم‌ها در یک تله سست تشکیل شده توسط پرتو لیزر، سپس تاباندن نور است که اتم‌ها را در موقعیت‌هایشان منجمد می‌کند، در حالی که لیزر دوم اتم‌های معلق را روشن می‌کند و موقعیت‌های فردی آنها را آشکار می‌کند.
زویرلین به MIT News گفت: «این اولین باری است که ما این کار را در محل انجام می‌دهیم، جایی که می‌توانیم ناگهان حرکت اتم‌ها را هنگامی که به شدت در حال تعامل هستند، منجمد کنیم و آنها را یکی پس از دیگری ببینیم. این چیزی است که این تکنیک را قدرتمندتر از آنچه قبلاً انجام شده بود، می‌کند.»
این تیم از تکنیک تصویربرداری برای مشاهده مستقیم برهمکنش‌ها بین بوزون‌ها و فرمیون‌ها استفاده کرد. فوتون‌ها نمونه‌ای از بوزون هستند، در حالی که الکترون‌ها نوعی فرمیون هستند. اتم‌ها می‌توانند بسته به اسپین کل خود، که با زوج یا فرد بودن تعداد کل پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌هایشان تعیین می‌شود، بوزون یا فرمیون باشند. به طور کلی، بوزون‌ها جذب می‌کنند، در حالی که فرمیون‌ها دفع می‌کنند.
زویرلین و همکارانش ابتدا ابری از بوزون‌ها را که از اتم‌های سدیم تشکیل شده بود، تصویربرداری کردند. در دماهای پایین، ابری از بوزون‌ها چیزی را تشکیل می‌دهد که به عنوان چگالش بوز-اینشتین شناخته می‌شود – حالتی از ماده که در آن همه بوزون‌ها یک حالت کوانتومی یکسان را به اشتراک می‌گذارند. کترله از MIT یکی از اولین کسانی بود که چگالش بوز-اینشتین از اتم‌های سدیم را تولید کرد که به خاطر آن جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۰۱ را به اشتراک گذاشت.
گروه زویرلین که یافته‌های خود را در مجله Physical Review Letters منتشر کرد، اکنون قادر به تصویربرداری از اتم‌های سدیم منفرد درون ابر است تا برهمکنش‌های کوانتومی آنها را مشاهده کند. مدت‌هاست که پیش‌بینی می‌شود بوزون‌ها باید به صورت «دسته‌ای» در کنار هم قرار گیرند و احتمال نزدیکی آنها به یکدیگر افزایش یابد. این دسته بندی نتیجه مستقیم توانایی آنها در به اشتراک گذاشتن موج مکانیکی کوانتومی یکسان است – یک ویژگی موج مانند که اولین بار توسط فیزیکدان لویی دو بروی پیش‌بینی شد و آغاز مکانیک کوانتومی مدرن را رقم زد.
زویرلین می‌گوید: «ما از این طبیعت موج مانند، چیزهای بیشتری در مورد جهان می‌فهمیم. اما مشاهده این اثرات کوانتومی موج مانند واقعاً دشوار است. با این حال، در میکروسکوپ جدید ما، می‌توانیم این موج را مستقیماً تجسم کنیم.»
این تیم همچنین ابری از دو نوع اتم لیتیوم را تصویربرداری کرد. هر نوع اتم یک فرمیون است که به طور طبیعی نوع خود را دفع می‌کند، اما می‌تواند به شدت با سایر انواع فرمیون خاص تعامل داشته باشد. محققان هنگام تصویربرداری از ابر، آن را مشاهده کردند – اتصالی که آنها برای اولین بار توانستند مستقیماً ببینند.
ریچارد فلچر، استادیار دانشگاه MIT و یکی از نویسندگان این مطالعه می‌گوید: «این نوع جفت‌سازی، اساس یک ساختار ریاضی است که مردم ابداع کرده‌اند. اما وقتی تصاویری مانند این را می‌بینید، این شیئی است که در دنیای ریاضی کشف شده است«بنابراین یادآوری بسیار خوبی است که فیزیک درباره چیزهای فیزیکی است. این واقعی است.»
در ادامه، فیزیکدانان از تکنیک تصویربرداری خود برای تجسم پدیده‌های عجیب و غریب‌تر و کمتر شناخته شده، مانند «فیزیک هال کوانتومی» – موقعیت‌هایی که الکترون‌های در حال تعامل، رفتارهای همبسته جدیدی را در حضور یک میدان مغناطیسی نشان می‌دهند – استفاده خواهند کرد.
زویرلین می‌گوید: «اینجا جایی است که نظریه واقعاً پیچیده می‌شود – جایی که مردم به جای نوشتن یک نظریه کامل، شروع به کشیدن تصویر می‌کنند، زیرا نمی‌توانند آن را به طور کامل حل کنند. اکنون می‌توانیم تأیید کنیم که آیا این کارتون‌های حالت‌های هال کوانتومی واقعاً واقعی هستند یا خیر. زیرا آنها حالت‌های بسیار عجیبی هستند.»
