راهکار جدید 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، نیكولز و هول شواهدی مربوط به فشار تشعشع كه 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.