موجات المادة الأبدية: يصنع الفيزيائيون ليزر ذري يمكنه البقاء إلى الأبد

موجات المادة الأبدية: يصنع الفيزيائيون ليزر ذري يمكنه البقاء إلى الأبد

يصمم علماء فيزياء جامعة أمستردام ليزرًا ذريًا يمكنه البقاء إلى الأبد.

في هذه الأيام ، أصبح تخيل حياتنا اليومية بدون الليزر أمرًا صعبًا. يتم استخدام الليزر في الطابعات ومشغلات الأقراص المضغوطة وأجهزة القياس والمؤشرات وما إلى ذلك.

ما يجعل الليزر مميزًا للغاية هو أنه يستخدم موجات متماسكة من الضوء: كل الضوء الموجود داخل الليزر يهتز بشكل متزامن تمامًا. في غضون ذلك ، تخبرنا ميكانيكا الكم أن الجسيمات مثل الذرات يجب اعتبارها أيضًا موجات. نتيجة لذلك ، يمكننا بناء " ليزر ذري " يحتوي على موجات متماسكة من المادة. ولكن هل يمكننا أن نجعل موجات المادة هذه تدوم حتى يمكن استخدامها في التطبيقات؟

في بحث نُشر في مجلة Nature في 8 يونيو ، أظهر فريق من علماء الفيزياء من جامعة أمستردام أن الإجابة على هذا السؤال إيجابية.

الحصول على البوزونات للمسيرة في تزامن

المفهوم الذي يقوم عليه الليزر الذري هو ما يسمى بـ Bose-Einstein Condensate أو اختصارًا BEC.

تحدث الجسيمات الأولية في الطبيعة في نوعين: الفرميونات والبوزونات. الفرميونات هي جزيئات مثل الإلكترونات والكواركات - اللبنات الأساسية للمادة التي نتكون منها. تختلف البوزونات اختلافًا كبيرًا في طبيعتها: فهي ليست صلبة مثل الفرميونات ، ولكنها لينة: على سبيل المثال ، يمكنها التنقل عبر بعضها البعض دون مشكلة. أشهر مثال على البوزون هو الفوتون ، وهو أصغر كمية ممكنة من الضوء.

الجزء المركزي من التجربة حيث يتم إنشاء موجات المادة المتماسكة. تتساقط الذرات الطازجة (الزرقاء) وتشق طريقها إلى مكثف بوز-آينشتاين في المركز. في الواقع ، الذرات غير مرئية للعين المجردة.

لكن جزيئات المادة يمكن أن تتحد أيضًا لتكوين بوزونات - في الواقع ، يمكن للذرات بأكملها أن تتصرف تمامًا مثل جزيئات الضوء. ما يجعل البوزونات مميزة للغاية هو أنها يمكن أن تكون جميعها في نفس الحالة بالضبط في نفس الوقت بالضبط ، أو يتم صياغتها بمصطلحات أكثر تقنية: يمكن أن `` تتكثف '' في موجة متماسكة. عندما يحدث هذا النوع من التكثيف لجسيمات المادة ، يسمي الفيزيائيون المادة الناتجة بتكثيف بوز-آينشتاين.

في الحياة اليومية ، لسنا على دراية بهذه المكثفات على الإطلاق. السبب: من الصعب جدًا جعل الذرات تتصرف كواحدة. إن السبب الذي يدمر التزامن هو درجة الحرارة: عندما تسخن مادة ما ، تبدأ الجسيمات المكونة لها في الاهتزاز ، ويصبح من المستحيل عمليًا جعلها تتصرف كواحدة. فقط في درجات الحرارة المنخفضة للغاية ، حوالي جزء من المليون من الدرجة فوق الصفر المطلق (حوالي 273 درجة تحت الصفر على مقياس سيليزيوس ) ، هناك فرصة لتشكيل موجات المادة المتماسكة من BEC.

رشقات نارية عابرة

قبل ربع قرن ، تم إنشاء أول مكثفات بوز-آينشتاين في مختبرات الفيزياء. أتاح ذلك إمكانية بناء ليزر ذري - أجهزة تنتج حرفيًا حزم من المادة - لكن هذه الأجهزة كانت قادرة على العمل فقط لفترة قصيرة جدًا. يمكن لليزر إنتاج نبضات من موجات المادة ، ولكن بعد إرسال مثل هذه النبضة ، يجب إنشاء BEC جديد قبل إرسال النبضة التالية.

كخطوة أولى نحو الليزر الذري ، لم يكن هذا سيئًا. في الواقع ، تم تصنيع الليزر البصري العادي أيضًا في متغير نبضي قبل أن يتمكن الفيزيائيون من إنشاء ليزر مستمر . ولكن في حين أن التطورات الخاصة بالليزرات الضوئية قد سارت بسرعة كبيرة ، فقد تم إنتاج أول ليزر مستمر في غضون ستة أشهر بعد نظيره النبضي ، أما بالنسبة لليزر الذري ، فقد ظلت النسخة المستمرة بعيدة المنال لأكثر من 25 عامًا.

كان من الواضح ما هي المشكلة: BECs هشة للغاية ، ويتم تدميرها بسرعة عندما يسقط الضوء عليها. ومع ذلك ، فإن وجود الضوء أمر حاسم في تكوين المكثف: لتبريد مادة ما إلى جزء من المليون من الدرجة ، يحتاج المرء إلى تبريد ذراتها باستخدام ضوء الليزر. نتيجة لذلك ، اقتصرت BECs على رشقات نارية عابرة ، مع عدم وجود وسيلة للحفاظ عليها بشكل متماسك.

هدية عيد الميلاد

تمكن فريق من علماء الفيزياء من جامعة أمستردام الآن من حل المشكلة الصعبة المتمثلة في إنشاء مكثف بوز-آينشتاين المستمر. يشرح فلوريان شيك ، قائد الفريق ، ما هي الحيلة. "في التجارب السابقة ، تم التبريد التدريجي للذرات في مكان واحد. في إعدادنا ، قررنا نشر خطوات التبريد ليس بمرور الوقت ، ولكن في الفضاء: نجعل الذرات تتحرك بينما تتقدم من خلال خطوات التبريد المتتالية. في النهاية ، تصل الذرات شديدة البرودة إلى قلب التجربة ، حيث يمكن استخدامها لتكوين موجات مادة متماسكة في BEC. ولكن أثناء استخدام هذه الذرات ، فإن الذرات الجديدة في طريقها بالفعل لتجديد BEC. بهذه الطريقة ، يمكننا الحفاظ على استمرار العملية - بشكل أساسي إلى الأبد ".

في حين أن الفكرة الأساسية كانت بسيطة نسبيًا ، إلا أن تنفيذها لم يكن بالتأكيد. يتذكر Chun-Chia Chen ، المؤلف الأول للنشر في Nature: "بالفعل في عام 2012 ، أدرك الفريق - ثم في إنسبروك - تقنية سمحت بحماية BEC من ضوء التبريد بالليزر ، مما أتاح التبريد بالليزر لأول مرة وصولا إلى الحالة المتدهورة اللازمة لموجات متماسكة. في حين أن هذه كانت خطوة أولى حاسمة نحو التحدي الطويل الأمد المتمثل في بناء ليزر ذري مستمر ، كان من الواضح أيضًا أن هناك حاجة إلى آلة مخصصة للمضي قدمًا في ذلك.

"عند الانتقال إلى أمستردام في عام 2013 ، بدأنا بقفزة إيمانية ، وأموال مقترضة ، وغرفة فارغة وفريق ممول بالكامل من المنح الشخصية. بعد ست سنوات ، في الساعات الأولى من صباح عيد الميلاد 2019 ، كانت التجربة أخيرًا على وشك العمل. كانت لدينا فكرة إضافة شعاع ليزر إضافي لحل مشكلة فنية أخيرة ، وعلى الفور أظهرت كل صورة نلتقطها BEC ، أول موجة مستمرة BEC. "

بعد معالجة المشكلة المفتوحة التي طال أمدها المتمثلة في إنشاء مكثف بوز-آينشتاين المستمر ، وضع الباحثون الآن عقولهم على الهدف التالي: استخدام الليزر لإنشاء شعاع إخراج ثابت من المادة. بمجرد أن لا تعمل أجهزة الليزر الخاصة بهم إلى الأبد فحسب ، بل يمكنها أيضًا إنتاج حزم مستقرة ، فلا شيء يقف في طريق التطبيقات التقنية بعد الآن ، وقد تبدأ ليزرات المادة في لعب دور لا يقل أهمية في التكنولوجيا مثل الليزر العادي حاليًا.