شناسایی روشی جدید و ابتکاری برای چگالش بوز انیشتین

دنیای یک اتم، دنیایی پر از آشوب و هرج‌و مرج است که نسبت به گرما حساس است و با گرما تغییر می‌کند. ابر اتمی یک دنیای آشفته است که در آن اتم‌ها با یکدیگر برخورد می‌کنند و در اثر این برخوردها مسیر و سرعت اتم‌ها تغییر می‌کند.

این حرکات تصادفی اتم را می‌توان با خنک‌سازی و سرد کردن، کند یا حتی به طور کامل متوقف کرد. در دمایی کمی بالاتر از صفر مطلق، اتم‌هایی که به سرعت در الگویی آشفته جابه‌جا می‌شدند به حالتی تقریبا بدون حرکت درمی‌آیند و به صورت یک حالت موج‌مانند حرکت می‌کنند. به این حالت در کوانتوم، چگالش بوز-اینشتین می‌گویند.

از زمان اولین چگالش بوز-اینشتین موفقیت‌آمیز در سال ۱۹۹۵ توسط محققان کولورادو و ولفانگ کترله و همکارانش در موسسه MIT، دانشمندان در حال مشاهده‌ی این خواص کوانتومی بوده‌اند و توانسته‌اند با استفاده از این ویژگی‌ها به دانش بیشتری در مورد پدیده‌هایی مثل مغناطیس و ابررسانایی دست پیدا کنند. اما این چگالش و خنک‌سازی بسیار کند و ناکارآمد است و بالغ بر ۹۹ درصد اتم‌ها در ابر اصلی در روند گم می‌شوند.

فیزیکدانان موسسه‌ی تکنولوژی ماساچوست روشی از خنک‌سازی را یافته‌اند که بسیار سریع‌تر از روش قدیمی است و از بیشتر اتم‌ها نیز محافظت می‌کند. این تیم از فیزیکدانان برای خنک‌سازی از لیزر کمک گرفتند و دمای یک ابر از اتم‌های روبیدیوم را 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 می‌شود، ۱۴۰۰ اتم اصلی ابر، یعنی چیزی حدود ۷۰ درصد آن، بدون آسیب باقی می‌مانند. نتایج این پژوهش‌ها در مجله‌ی Science منتشر شد.

یکی از پروفسور‌های فیزیک در MIT، به نام ولدان وولتی، در این باره می‌گوید:

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 ساعت‌های اتمی بسازند. روش و تکنیک جدید باید به این روند سرعت ببخشد.

وولتی نویسنده‌ی اصلی این مقاله در کنار نویسنده‌ی اول و دستیار تحقیقاتی آن، جیاژونگ هو است و نفرات دیگری هم مانند زاکاری وندریو، والتین کرپل، آلبان اوروی، و ولنان چن آنها را همراهی می‌کنند.

چگالش بوز انیشتین

مقدار کم و بازگشت بزرگ

دانشمندان با ترکیب دو روش خنک‌سازی لیزری و خنک‌سازی تبخیری توانستند چگالش بوز-اینشتین را ایجاد کنند. این روند با تاباندن اشعه‌های لیزر از چند جهت به اتم‌ها شروع می‌شود.

اگر فوتون‌های موجود در اشعه را توپ پینگ‌پنگ در نظر بگیریم، اتم‌ها به‌اندازه‌ی توپ بسکتبال خواهند بود و وقتی فوتون‌ها به اتم‌ها برخورد کنند، کم‌کم از سرعت اتم‌ها می‌کاهند. این فوتون‌ها همچنین بازه‌ی حرکتی اتم‌ها را محدود می‌کنند و آنها را در یک‌جا فشرده می‌کنند. اما پژوهشگران متوجه شدند که محدودیتی در استفاده از لیزر برای خنک‌سازی وجود دارد و در واقع هرچه ابر اتمی متراکم‌تر شود، فضا برای تاباندن فوتون‌ها کمتر خواهد شد؛ بنابراین آنها تصمیم گرفتند از گرما استفاده کنند. آنها از لیزر دست کشیدند و به جای آن از خنک‌کننده‌ی تبخیری استفاده کردند که وولتی این نوع خنک کردن را مانند خنک کردن فنجان قهوه می‌داند؛  شما صبر می‌کنید که داغ‌ترین اتم‌ها خارج شوند. اما این روند، کند است و در نهایت ۹۹ درصد از اتم‌های اصلی خارج می‌شوند. وولتی می‌گوید:

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 می‌شود.

جهش جدید

وولتی و همکارانش راهی پیدا کردند که بتوانند تنها با استفاده از لیزر، عمل خنک‌سازی را انجام بدهند. استفاده‌ی محض از لیزر از ابتدا تا پایان عملیات برای خنک‌سازی، روشی سریع‌تر است و همچنین اتم‌های اصلی بیشتری در این روش حفظ می‌شوند. وولتی در این مورد گفته است:

سرانجام ما توانستیم آرزوی دیرینه‌ی فیزیکدانان را برآورده کنیم.

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

محققان با همان روش قبلی شروع به کار کردند و با استفاده از فوتون‌های لیزر شروع به خنک‌سازی اتم‌های روبیدیوم کردند و این کار را تا نقطه‌ای ادامه دادند که اتم‌ها متراکم شوند. سپس با استفاده از فوتون‌ها، به آنها گرما دادند. بعد از همه این کارها، آنها از روشی به نام خنک‌سازی رامان استفاده کردند. در این روش آنها از دو اشعه‌ی لیزر برای خنک‌سازی بیشتر اتم‌ها استفاده کردند.

آنها ابتدا لیزر اول را به اتم‌ها تاباندند و وقتی اتم‌ها در معرض فوتون‌های لیزر قرار گرفتند انرژی جنبشی آنها به انرژی مغناطیسی تبدیل شد. اتم‌ها که در حال خنک شدن بودند، انرژی اصلی خودشان را حفظ کردند. سپس لیزر دوم وارد عمل شد. وقتی لیزر دوم به اتم‌های متراکم تابیده شده، انرژی آنها را از بین برد و آنها را خنک‌تر کرد. وولتی تشریح می‌کند که:

فوتون‌ها انرژی سیستم را در روندی دو مرحله‌ای از بین بردند. در یک مرحله، انرژی جنبشی و در مرحله بعد کل انرژی را حذف کردیم. این بدان معنا بود که ما خنک‌سازی را به‌طور کامل انجام دادیم.

او ادامه می‌دهد:

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

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 اتم‌ها عبور کند. وولتی در این‌باره می‌گوید:

اتم‌ها در این مرحله تقریبا به حالت شفاف‌مانندی می‌ٰرسند که اشعه را از خود عبور می‌دهند.

چگالش بوز انیشتین

این بدان معناست که احتمال جذب فوتون‌ها توسط اتم‌ها کم می‌شود و باعث ایجاد لرزش و گرما شده و در عوض هر فوتون تنها به یک اتم برخورد می‌کند. به‌گفته‌ی وولتی می‌گوید:

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

این تیم متوجه شدند که با استفاده از روش جدید می‌توانند خنک‌سازی اتم‌های روبیدیوم از دمای ۲۰۰ میکروکلوین به ۱ میکروکلوین را تنها در عرض ۰.۱ ثانیه انجام دهند که ۱۰۰ برابر سریع‌تر از روش‌های قبلی است. به علاوه، نمونه‌ی نهایی چگالش بوز-اینشتین این تیم، حاوی ۱۴۰۰ اتم از ۲۰۰۰ اتم اصلی است و مقدار حفظ این تعداد اتم در مقایسه با روش‌های قبلی بسیار بیشتر بوده است.  وولتی  درباره‌ی علاقه و ممارست خود پیرامون این یافته‌ها چنین تعریف می‌کند:

وقتی در حال تحصیل بودم، افراد دیگر روش‌های مختلف زیادی را برای خنک سازی استفاده کردند و هیچ‌کدام کار نکرد. آنها خسته شده بودند. این کار ما، رویایی دیرینه بود که به حقیقت پیوست و ما توانستیم این روند خنک‌سازی را سریع‌تر و ساده‌تر انجام دهیم. بنابراین ما خیلی هیجان‌زده‌ایم و قصد داریم گونه‌های دیگری از اتم‌ها را نیز امتحان کنیم و در آینده، عمل چگالش را حتی تا ۱۰۰۰ برابر بزرگ‌تر کنیم.