شناسایی روشی جدید و ابتکاری برای چگالش بوز انیشتین

ساخت وبلاگ

دنیای یک اتم، دنیایی پر از آشوب و هرج و مرج است که نسبت به گرما حساس است و با گرما تغییر می کند. ابر اتمی یک دنیای آشفته است که در آن اتم ها با یکدیگر برخورد می کنند و در اثر این برخوردها مسیر و سرعت اتم ها تغییر می کند.

این حرکات تصادفی اتم را می توان با خنک سازی و سرد کردن، کند یا حتی به طور کامل متوقف کرد. در دمایی کمی بالاتر از صفر مطلق، اتم هایی که به سرعت در الگویی آشفته جابه جا می شدند به حالتی تقریبا بدون حرکت درمی آیند و به صورت یک حالت موج مانند حرکت می کنند. به این حالت در کوانتوم،چگالش بوز-اینشتینمی گویند.

از زمان اولین چگالش بوز-اینشتین موفقیت آمیز در سال ۱۹۹۵ توسط محققان کولورادو وولفانگ کترلهو همکارانش در موسسه MIT، دانشمندان در حال مشاهده ی این خواص کوانتومی بوده اند و توانسته اند با استفاده از این ویژگی ها به دانش بیشتری در مورد پدیده هایی مثل مغناطیس و ابررسانایی دست پیدا کنند. اما این چگالش و خنک سازی بسیار کند و ناکارآمد است و بالغ بر ۹۹ درصد اتم ها در ابر اصلی در روند گم می شوند.

فیزیکدانان موسسه ی تکنولوژی ماساچوست روشی از خنک سازی را یافته اند که بسیار سریع تر از روش قدیمی است و از بیشتر اتم ها نیز محافظت می کند. این تیم از فیزیکدانان برای خنک سازی از لیزر کمک گرفتند و دمای یک ابر از اتم هایروبیدیومرا از دمای اتاق به یک میکروکلوین یا کمتر از یک میلیونم بالای صفر رساندند.

با استفاده از این روش از هر ۲۰۰۰ هزار اتمی که خنک می شود، ۱۴۰۰ اتم اصلی ابر، یعنی چیزی حدود ۷۰ درصد آن، بدون آسیب باقی می مانند. نتایج این پژوهش ها در مجله یScienceمنتشر شد.

یکی از پروفسور های فیزیک در MIT، به نامولدان وولتی، در این باره می گوید:

افراد در تلاشند تا با استفاده از چگالش بوز-اینشتین، به درک بیشتری از مغناطیس و ابررسانایی برسند و همچنین با استفاده از آن ژیروسکوپ و ساعت های اتمی بسازند. روش و تکنیک جدید باید به این روند سرعت ببخشد.

وولتی نویسنده ی اصلی این مقاله در کنار نویسنده ی اول و دستیار تحقیقاتی آن،جیاژونگ هواست و نفرات دیگری هم مانندزاکاری وندریو،والتین کرپل،آلبان اوروی، وولنان چنآنها را همراهی می کنند.

چگالش بوز انیشتین

مقدار کم و بازگشت بزرگ

دانشمندان با ترکیب دو روشخنک سازی لیزریوخنک سازی تبخیریتوانستند چگالش بوز-اینشتین را ایجاد کنند. این روند با تاباندن اشعه های لیزر از چند جهت به اتم ها شروع می شود.

اگر فوتون های موجود در اشعه را توپ پینگ پنگ در نظر بگیریم، اتم ها به اندازه ی توپ بسکتبال خواهند بود

اگر فوتون های موجود در اشعه را توپ پینگ پنگ در نظر بگیریم، اتم ها به اندازه ی توپ بسکتبال خواهند بود و وقتی فوتون ها به اتم ها برخورد کنند، کم کم از سرعت اتم ها می کاهند. این فوتون ها همچنین بازه ی حرکتی اتم ها را محدود می کنند و آنها را در یک جا فشرده می کنند. اما پژوهشگران متوجه شدند که محدودیتی در استفاده از لیزر برای خنک سازی وجود دارد و در واقع هرچه ابر اتمیمتراکم ترشود، فضا برای تاباندن فوتون هاکمترخواهد شد؛ بنابراین آنها تصمیم گرفتند از گرما استفاده کنند. آنها از لیزر دست کشیدند و به جای آن از خنک کننده ی تبخیری استفاده کردند که وولتی این نوع خنک کردن را مانند خنک کردن فنجان قهوه می داند؛ شما صبر می کنید که داغ ترین اتم ها خارج شوند. اما این روند، کند است و در نهایت ۹۹ درصد از اتم های اصلی خارج می شوند. وولتی می گوید:

شما باید ۱ میلیون اتم را خنک کنید تا تنها ۱۰ هزار اتم باقی بماند که این مقدار کمی است و یک بازگشتی بزرگ محسوب می شود.

جهش جدید

وولتی و همکارانش راهی پیدا کردند که بتوانند تنها با استفاده از لیزر، عمل خنک سازی را انجام بدهند. استفاده ی محض از لیزر از ابتدا تا پایان عملیات برای خنک سازی، روشیسریع تراست و همچنین اتم های اصلی بیشتری در این روش حفظ می شوند. وولتی در این مورد گفته است:

سرانجام ما توانستیم آرزوی دیرینه ی فیزیکدانان را برآورده کنیم.

روشی که ما ابداع کردیم جهشی جدید به سمت چگالش بود که با حجم زیادی از اتم ها نیز سازگاری داشت.

محققان با همان روش قبلی شروع به کار کردند و با استفاده از فوتون های لیزر شروع به خنک سازی اتم های روبیدیوم کردند و این کار را تا نقطه ای ادامه دادند که اتم ها متراکم شوند. سپس با استفاده از فوتون ها، به آنها گرما دادند. بعد از همه این کارها، آنها از روشی به نام خنک سازی رامان استفاده کردند. در این روش آنها از دو اشعه ی لیزر برای خنک سازی بیشتر اتم ها استفاده کردند.

آنها ابتدا لیزر اول را به اتم ها تاباندند و وقتی اتم ها در معرض فوتون های لیزر قرار گرفتند انرژی جنبشی آنها به انرژی مغناطیسی تبدیل شد. اتم ها که در حال خنک شدن بودند، انرژی اصلی خودشان را حفظ کردند. سپس لیزر دوم وارد عمل شد. وقتی لیزر دوم به اتم های متراکم تابیده شده، انرژی آنها را از بین برد و آنها را خنک تر کرد. وولتی تشریح می کند که:

فوتون ها انرژی سیستم را در روندیدو مرحله ایاز بین بردند. در یک مرحله، انرژی جنبشی و در مرحله بعد کل انرژی را حذف کردیم. این بدان معنا بود که ما خنک سازی را به طور کامل انجام دادیم.

او ادامه می دهد:

حذف انرژی جنبشی اتم ها که باعث می شود حرکات تصادفی آنها کم شود و به اتم ها به حالتی یکدست برسند، رفتاری کوانتومی است که شبیه چگالش بوز-اینشتین است. این چگالش با از بین رفتن انرژی کلی اتم ها و رسیدن به نقطه پایانی خنک سازی، تکمیل می شود.

پژوهشگران برای رسیدن به این نقطه باید اقدامات دیگری نیز انجام دهند. آنها باید لیزر را از رزونانس اتمی دور کنند، چراکه اشعه ممکن است به آسانی از کنار اتم ها عبور کند. وولتی در این باره می گوید:

اتم ها در این مرحله تقریبا به حالت شفاف مانندی می ٰرسند که اشعه را از خود عبور می دهند.

چگالش بوز انیشتین

این بدان معناست که احتمال جذب فوتون ها توسط اتم ها کم می شود و باعث ایجاد لرزش و گرما شده و در عوض هر فوتون تنها به یک اتم برخورد می کند. به گفته ی وولتی می گوید:

قبل از این حالت، هر فوتون باعث حرکت ۱۰ اتم می شد. اگر شما لیزر را رزونانس دور نگه دارید، فوتون به احتمال زیاد به اتم های دیگر برخورد نخواهد کرد و شما با افزایش قدرت لیزر خواهید توانست سرعت خنک سازی را به حالت اصلی برگردانید.

این تیم متوجه شدند که با استفاده از روش جدید می توانند خنک سازی اتم های روبیدیوم از دمای ۲۰۰ میکروکلوین به ۱ میکروکلوین را تنها در عرض ۰.۱ ثانیه انجام دهند که۱۰۰ برابرسریع تر از روش های قبلی است. به علاوه، نمونه ی نهایی چگالش بوز-اینشتین این تیم، حاوی ۱۴۰۰ اتم از ۲۰۰۰ اتم اصلی است و مقدار حفظ این تعداد اتم در مقایسه با روش های قبلی بسیار بیشتر بوده است. وولتی درباره ی علاقه و ممارست خود پیرامون این یافته ها چنین تعریف می کند:

وقتی در حال تحصیل بودم، افراد دیگر روش های مختلف زیادی را برای خنک سازی استفاده کردند و هیچ کدام کار نکرد. آنها خسته شده بودند. این کار ما، رویایی دیرینه بود که به حقیقت پیوست و ما توانستیم این روند خنک سازی را سریع تر و ساده تر انجام دهیم. بنابراین ما خیلی هیجان زده ایم و قصد داریم گونه های دیگری از اتم ها را نیز امتحان کنیم و در آینده، عمل چگالش را حتی تا ۱۰۰۰ برابر بزرگ تر کنیم.

علم وفناوری...
ما را در سایت علم وفناوری دنبال می کنید

برچسب : شناسایی,ابتکاری,انیشتین, نویسنده : 9elme1404c بازدید : 135 تاريخ : يکشنبه 12 آذر 1396 ساعت: 12:20