استفاده متفاوت از اصل طرد پاولی؛ راهکار فیزیک‌دانان برای جلوگیری از پراکندگی نور در اتم‌ها

استفاده متفاوت از اصل طرد پاولی؛ راهکار فیزیک‌دانان برای جلوگیری از پراکندگی نور در اتم‌ها

گفته می‌شود فیزیک‌دانان دانشگاه MIT با استفاده از اتم‌های فوق سرد و کنترل تراکم آ‌ن‌ها، توانسته‌اند راهی برای مقاله با پراکندگی نو در اتم‌ها دست یابند.

اتم‌های سرد یا فوق سرد اتم‌هایی هستند که در دمای نزدیک به صفر کلوین (صفر مطلق) و معمولا زیر چندین ده میکروکلوین (μK) حفظ می‌شوند و این دقیقا همان دمایی است که خصوصیات مکانیکی کوانتوم اتم‌ها در آن پدیدار می‌شود. برای رسیدن به چنین دمای پایین، معمولا باید ترکیبی از چندین تکنیک استفاده شود. ابتدا اتم‌ها معمولا از طریق خنک‌سازی لیزری در یک دام مغناطیسی نوری گیر می‌کنند و از قبل سرد می‌شوند. برای رسیدن به کمترین دمای ممکن، خنک‌سازی بیشتر با استفاده از خنک‌کننده تبخیری در یک دام مغناطیسی یا نوری انجام می‌شود.

اتم‌های فوق سرد به‌طور معمول از طریق فعل‌وانفعال گاز رقیق با میدان لیزر تهیه می‌شوند. در سال ۱۹۰۱، سه محقق شامل لددف، نیکولز و هول شواهدی مربوط به فشار تشعشع که نیروی ناشی از نور روی اتم‌ها ایجاد می‌کرد، کشف کردند که در نهایت منجر اختراع لیزر و ایجاد تکنیک‌های اضافه برای دست‌کاری اتم‌ها با نور شد.

استفاده از نور لیزر برای خنک کردن اتم‌ها اولین بار در سال ۱۹۷۵ با بهره‌گیری از اثر داپلر برای ایجاد نیروی تابش به یک اتم به سرعت آن پیشنهاد شد؛ روشی که به خنک‌سازی داپلر معروف است. افزون‌براین ایده‌های مشابهی برای خنک‌کردن نمونه‌های یون‌های به دام‌افتاده ارائه شده است. استفاده از خنک‌کننده داپلر به‌صورت سه‌بعدی باعث کاهش سرعت اتم‌ها در سرعت‌هایی می‌شود که به‌طور معمول چند سانتی‌متر بر ثانیه هستند و به تولید ملاتی اپتیکی منجر می‌شود.

با تمامی این‌اوصاف، اتم‌های سرد می‌تواند منبع انرژی مناسبی برای کامپیوتر اتمی آینده باشند و آن را به شرایط عملیاتی نزدیک‌تر کنند. حال گفته می‌شود جمعی از فیزیک‌دانان دانشگاه نام‌آشنای MIT با سرد‌کردن اتم‌ها توانسته‌اند که گلوگاه مهمی را در رایانه‌های کوانتومی آینده برطرف کنند. برای درک بهتر، باید ابتدا کمی این موضوع را توضیح بدهیم.

به‌طورکلی، الکترون‌های یک اتم در لایه‌های انرژی چیده شده‌اند و آن‌ها را می‌توان به افرادی که برای تماشای بازی فوتبال به استادیوم می‌روند توصیف کرد. تصور کنید که هر فرد (الکترون) یک صندلی را اشغال می‌کند و اگر استادیوم تمامی صندلی‌هایش اشغال شده باشد، فرد نمی‌تواند به صندلی‌های پایین‌تر دسترسی داشته باشد. این ویژگی اساسی فیزیک اتمی به‌عنوان اصل طرد پاولی شناخته می‌شود و ساختار پوسته اتم‌ها، تنوع جدول تناوبی عناصر و پایداری جهان مادی را توضیح می‌دهد.

اکنون، فیزیکدانان دانشگاه MIT اصل طرد پائولی یا مسدودکردن پائولی را به روشی کاملا جدید به‌کار گرفته‌اند؛ آن‌ها دریافته‌اند که این اثر می‌تواند از نحوه پراکندگی نور یک اَبر اتمی جلوگیری کند. به‌طور معمول، هنگامی که فوتون‌های نور به ابری از اتم‌ها نفوذ می‌کنند، ذرات می‌توانند مانند توپ‌های بیلیارد از یکدیگر جدا شوند و فوتون‌ها را در هر جهت پراکنده کنند تا تور تابیده شود و در نتیجه اَبر را قابل مشاهده کنند. بااین‌حال، تیم MIT مشاهده کردند که وقتی اتم‌ها فوق ‌سرد و فوق فشرده می‌شوند، اثر پائولی شروع می‌شود و ذرات به‌طور مؤثر فضای کمتری برای پراکندگی نور دارند. در عوض فوتون‌ها بدون پراکنده‌شدن از میان آن‌ها عبور می‌کنند.

فیزیکدانان در آزمایش‌هایشان این اثر را در اَبری از اتم‌های لیتیوم مشاهده کردند و دریافتند که با سردتر و متراکم‌ترشدن، اتم‌ها نور کمتری را پراکنده می‌کنند و به تدریج تیره‌تر می‌شوند. محققان گمان می‌کنند که اگر بتوانند شرایط را به دمای صفر مطلق برسانند، اَبر کاملا نامرئی می‌شود. نتایج این تیم نشان‌دهنده نخستین مشاهده اثر مسدودکننده پائولی بر پراکندگی نور توسط اتم‌ها است.

جالب است بدانید که این اثر تقریبا سه دهه پیش پیش‌بینی شده بود، اما تاکنون رازآلود باقی مانده بود. ولفگانگ کترل، متصدی اصلی این پروژه و پروفوسور فیزیک در MIT می‌گوید:

مسدودکردن پائولی به‌طور کلی ثابت شده است و برای ثبات دنیای اطراف ما کاملا ضروری است. آنچه ما مشاهده کرده‌ایم یک شکل بسیار خاص و ساده از مسدودکردن پائولی است که از پراکندگی نور اتم (کاری که تمای اتم‌ها به‌طور طبیعی انجام می‌دهند)، جلوگیری می‌کند. این اولین مشاهده واضح از وجود این اثر و نشان‌دهنده پدیده‌ای جدید در فیزیک است.

شاید بد نباشد بدانید وقتی که کترل ۳۰ سال پیش به‌عنوان دانشجوی مقطع فوق‌دکترا به MIT آمد، دیوید پریچارد، استداد وی پیش‌بینی کرده بود که مسدودکردن اصل طرد پاولی، با استفاده از اتم‌های خاصی که به نام فرمیون‌ها شناخته می‌شوند، می‌توان از پراکنده نور جلوگیری کرد! به‌طورکلی، ایده او این بود که اگر اتم‌ها تقریبا منجمد و در فضایی تنگ فشرده شوند، اتم‌ها مانند الکترون‌ها در پوسته‌های پر انرژی رفتار می‌کنند و جایی برای تغییر سرعت یا موقعیت خود ندارند؛ بنابراین اگر فوتون‌های نور به داخل جریان پیدا کنند، نمی‌توانند پراکنده شوند و اتم‌ها را فعال کنند.

کترل با استناد به تشبیه صندلی در استادیوم تشریح می‌کند: «اتم تنها زمانی می‌تواند فوتون را پراکنده کند که بتواند نیروی ضربه‌اش را با حرکت به صندلی دیگری جذب کند». اگر همه صندلی‌های دیگر اشغال شود، دیگر توانایی جذب ضربه و پراکندگی فوتون را ندارد؛ بنابراین، اتم شفاف می‌شود. این پدیده قبلا هرگز مشاهده نشده بود، زیرا دانشمندان قادر به ایجاد اَبرهایی با سرما و تراکم کافی نبودند.»

در سال‌های اخیر، فیزیکدانان ازجمله گروه کترل، تکنیک‌های مغناطیسی و مبتنی‌بر لیزر را برای پایین‌آوردن شدید دمای اتم‌ها توسعه داده‌اند؛ اما همواره «تراکم» عامل محدود‌کننده این فرایند بود. کترل استدلال می‌کند که اگر چگالی به اندازه کافی زیاد نباشد، یک اتم همچنان می‌تواند با پریدن از روی چند صندلی (اشاره به مثل ابتدای مقاله) نور را پراکنده کند تا جایی که فضایی را برای خود پیدا کند و این همان گلوگاهی است که سال‌ها محققان را درگیر خود کرده.

مطالعه جدید حاکی از آن است که کترل و همکارانش از تکنیک‌هایی استفاده کردند که قبلا توسعه داده بودند تا ابتدا اَبری از فرمیون‌ها را منجمد کنند. در این مورد، ایزوتوپ ویژه اتم لیتیوم دارای سه الکترون، سه پروتون و سه نوترون است. آن‌ها اَبری از اتم‌های لیتیوم را تا ۲۰ میکروکلوین منجمد کردند که حدود ۱/۱۰۰۰۰۰ دمای فضای بین ستاره‌ای است!

تیم مذکور سپس از یک لیزر متمرکز برای فشرده‌کردن اتم‌های فوق‌سرد برای ثبت چگالی استفاده کرده و به حدود یک چهار میلیاردم اتم در سانتی‌متر مکعب رسیده‌اند. محققان پرتو لیزر دیگری را نیز به اَبر پرتاب کردند که آن را با دقت کالیبره کنند تا فوتون‌های آن اتم‌های فوق سرد را گرم نکنند یا چگالی آن‌ها را با عبور نور تغییر ندهند. در نهایت، آن‌ها از یک لنز و دوربین برای گرفتن و شمارش فوتون‌هایی که موفق به پراکندگی شدند استفاده کردند. مارگالیت دراین‌یاره می‌گوید:

ما درواقع چند صد فوتون را می‌شماریم که واقعا شگفت‌انگیز است. یک فوتون مقدار کمی نور است؛ اما تجهیزات ما آنقدر حساس هستند که می‌توانیم آن‌ها را به‌صورت لکه‌ی کوچک نور روی دوربین ببینیم!

نتایج نشان می‌دهد که در دماهای به تدریج سردتر و چگالی بالاتر، اتم‌ها نور به‌مراتب کم‌تری را پراکنده می‌کنند، درست همان‌طور که نظریه پریچارد ۳۰ سال پیش پیش‌بینی کرده بود. در سردترین حالت خود، در حدود ۲۰ میکروکلوین، اتم‌ها ۳۸ درصد کم‌نورتر هستند؛ به این معنی که اتم‌ها ۳۸ درصد نور کم‌تری نسبت به اتم‌های سرد و چگال کم‌تر پراکنده می‌کنند.

مارگالیت می‌گوید: «این دستاورد اَبرهای فوق سرد و بسیار متراکم اثرات دیگری نیز دارد که احتمالا می‌تواند ما را فریب دهد؛ بنابراین، ما چند ماه را صرف غربال‌کردن و کنارگذاشتن این اثرات کردیم تا واضح‌ترین اندازه‌گیری را به‌دست آوریم.» اکنون با اثبات اینکه اصل طرد پاولی واقعا می‌تواند بر توانایی اتم برای پراکندگی نور تأثیر بگذارد، کترل می‌گوید این دانش بنیادی ممکن است برای توسعه مواد دافع نور، به‌عنوان مثال برای حفظ داده‌ها در رایانه‌های کوانتومی استفاده شود. وی در پایان می‌افزاید:

هر زمان که ما جهان کوانتومی را مانند رایانه‌های کوانتومی کنترل می‌کنیم، پراکندگی نور یک مشکل خواهد بود و به این معنی است که اطلاعات از رایانه کوانتومی شما درز می‌کند. این یکی از راه‌های مقابله با پراکندگی نور است و ما به موضوع کلی کنترل جهان اتمی کمک می‌کنیم.

منبع phys.org

از سراسر وب

  دیدگاه
کاراکتر باقی مانده