مشاهده بر هم کنش میان اتم های منفرد برای اولین بار

محققان برای اولین بار موفق به ضبط تصاویری از اتم‌های پتاسیم منفرد توزیع شده در یک شبکه‌ی نوری شده‌اند که این فرایند یک فرصت منحصر به فرد را برای مشاهده‌ی چگونگی تداخل اتم‌ها با همدیگر ارایه داده است.

 در حالی که گرفتن این تصاویر به خودی خود یک شاهکار به شمار می‌رود، این روش همچنین می‌تواند به محققان در درک بهتر شرایط مورد نیاز برای نزدیک شدن اتم‌های منفرد به هم و تشکیل حالت‌هایی عجیب از ماده مانند ابرسیال‌ها و ابررساناها کمک کند. یکی از اعضای گروه پژوهشی مرتبط با این پروژه، مارتین زوئرلین (Martin Zwierlein) از MIT در یک بیانیه گفته است:

ما با یادگیری از این مدل اتمی، می‌توانیم دریابیم که واقعا در این ابررساناها چه سازوکاری در حال سپری شدن است و اینکه ما برای ساخت ماده‌های ابررساناها در دماهای بالاتر و نزدیک به دمای اتاق چه کارهایی را باید انجام دهیم.

 این گروه پژوهشی برای گرفتن این تصاویر، گاز پتاسیم را برای آزمایش مورد بررسی قرار داده و آن را تا دمای چند نانوکلوین سرد کردند (تا دمای بسیار اندکی بالاتر از صفر مطلق). برای اینکه چشم‌انداز بهتری داشته باشیم باید یادآوری کنیم که ۱ نانوکلوین تقریبا منفی ۲۷۳ درجه‌ی سلسیوس و منفی ۴۶۰ درجه‌ی فارنهایت است.

 در این دمای بسیار سرد، اتم‌های پتاسیم به آهستگی دارای حرکت خزش مانندی هستند. این نوع حرکت به اعضای تیم پژوهشی امکان به دام انداختن برخی از آن اتم‌ها را در داخل یک شبکه‌ی نوری دو بعدی را می‌دهد. این شبکه به صورت یک مجموعه‌ی پیچیده از لیزرها است که با هم تداخل دارند و می‌توانند اتم‌های منفرد را در امواجی با شدت‌های متفاوت به دام اندازند. زوئرلین در این باره می‌گوید:

برای ما، این اثر در دمای نانوکلوین ایجاد می‌شود؛ چرا که ما در حال کار با گازهای اتمی رقیق هستیم. اگر شما یک قطعه متراکم از ماده را داشته باشید، چنین اثراتی ممکن است به همان خوبی در دمای اتاق نیز اتفاق بیفتند.

 این تیم با استفاده از اتم‌های به دام افتاده در شبکه، با استفاده از یک میکروسکوپ با وضوح بالا اقدام به ثبت صدها عکس کردند تا دریابند که اتم‌ها چگونه در آرایش خاص خود قرار می‌گیرند. آنها دریافتند در بخش‌هایی از شبکه که دارای حداقل تراکم بودند (مانند اطراف لبه‌ها) اتم‌های پتاسیم فاصله‌ی خود را از یکدیگر حفظ می‌کنند و منجر به ایجاد بخشی از «فضای اختصاصی» بین هر اتم می‌شوند که این فضا را به نام حفره‌ی پائولی (Pauli hole) می‌شناسند. زوئرلین همچنین معتقد است:

آنها یک فضای کوچک برای خود ایجاد می‌کنند؛ فضایی که در آن احتمال برای پیدا کردن اتم دیگر در داخل آن فضا بسیار بعید است.

 پژوهشگران دریافتند که در نزدیکی مرکز شبکه که در آن گاز فشرده‌تر است، اتم ها به احتمال زیاد فوق‌العاده نزدیک به هم بوده‌اند (گاهی اوقات در بالای یکدیگر) و اغلب خود را در یک الگوی متناوب با جهت‌گیری مغناطیسی مرتب می‌کنند. زوئرلین همچنین اشاره کرد:

اینها به صورت همبستگی‌های پادفرومغناطیس زیبا با یک الگوی شطرنجی (بالا، پایین، بالا، پایین) هستند.

 یک روش خوب برای مجسم کردن پدیده‌ی مورد بحث این است که آن را به صورت تصویری از چگونگی تفاوت جمعیت‌های انسانی بر حسب میزان تراکم جمعیت تصور کنیم.

 برای مثال، در شهرها، مردم به طور کامل با زندگی در واحدهای بالا و پایین هم‌دیگر سازگار هستند و به عبارتی بیشتر فضای اختصاصی خود را از دست می‌دهند. در حالی که افراد دیگری که در مناطقی با تراکم کمتر مانند حومه‌ی شهر زندگی می‌کنند، دارای فضای بیشتری برای جداسازی محدوده خود با همسایه‌ها هستند.

تیم پژوهشی آزمایش‌های خود را برای رسیدن به یک درک بهتر از پدیده‌ی ابررسانایی انجام دادند. ابررسانایی (superconductivity) در واقع یک پدیده‌ی مکانیک کوانتومی است که در آن میزان مقاومت برای انتقال الکترون صفر است.

از آنجا که در حال حاضر هنوز فناوری لازم برای اینکه محققان الکترون‌ها را به طور واقعی روی یک شبکه مشاهده کنند، وجود ندارد، این تیم پژوهشی بر آن شدند تا از گاز پتاسیم به عنوان یک معیار جانشین به منظور تجزیه و واکاوی مدل هابارد-فرمی استفاده کنند. مدل هابارد-فرمی مدلی است که تعیین می‌کند اتم‌ها جدای از در نظر گرفتن حضور الکترون‌ها و اثراتشان به چه شکلی با هم برهم‌کنش خواهند داشت. زوئرلین در این باره گفت:

دلیل اصلی اینکه ما ماهیت ابررساناهای دمای بالا را درک نمی‌کنیم در واقع همین است. در این دماها الکترون‌ها با قدرت بسیار زیادی با هم بر‌هم‌کنش دارند.

 هیچ کامپیوتر کلاسیکی در جهان وجود ندارد که بتواند محاسبه کند که چه اتفاقی برای الکترو‌ن‌های تعامل کننده در دماهای بسیار پایین رخ می‌دهد. همبستگی‌های فضایی آنها نیز هیچگاه در جای اصلی خود مشاهده نشده‌اند. زیرا در زمان فعلی هیچ میکروسکوپی وجود ندارد که بتوانیم یک الکترون منفرد را با آن مشاهده کنیم.

 با انجام مطالعات بیشتر در آینده، داشتن درک بهتری از ابررسانایی ممکن است روزی منجر به ایجاد سیستم‌های برقی با میزان مقاومت صفر شود. چنین رویدادی می‌تواند آنها را بسیار کارامدتر از آن چیزی کند که در حال حاضر هستند.

 گام بعدی برای تیم پژوهشی این است که برای مشاهده‌ی همان اتم‌ها حتی در دماهای پایین‌تر نیز تلاش کنند تا به این ترتیب بتوانند چگونگی عملکرد آنها را مورد ارزیابی قرار داده و همچنین پی ببرند که آیا در آن حالت‌ها می‌توانند یک ابررسانا تشکیل دهند یا خیر. دستاوردهای این مطالعه در مجله‌ی Science منتشر شده است.