ثبت اولین تصویر از «اتم‌های بُرد آزاد»

به گزارش ایسنا، دانشمندان مؤسسه فناوری ماساچوست(MIT) در ایالات متحده پس از ثبت اولین تصاویر از اتم‌های منفرد که آزادانه در فضا برهم‌کنش دارند، به دستاورد پیشگامانه دیگری دست یافته‌اند.

این تصاویر که برهمکنش‌های بین ذرات «بُرد آزاد» را نشان می‌دهند که تاکنون فقط نظریه‌پردازی شده بودند، به دانشمندان اجازه می‌دهد تا به طور مستقیم پدیده‌های کوانتومی را در فضای واقعی مشاهده کنند.

این تیم به رهبری مارتین زویرلین(Martin Zwierlein)، فیزیکدان MIT و نویسنده اصلی این مطالعه برای گرفتن تصاویر دقیق از فعل و انفعالات اتمی، روش جدیدی را توسعه دادند که به اتم‌ها اجازه می‌دهد قبل از انجماد کوتاه و درخشش آنها برای ثبت موقعیت خود، آزادانه حرکت کنند.

این تیم از این روش برای مشاهده ابرهایی با انواع اتم‌های مختلف استفاده کرد و برای اولین بار چندین تصویر پیشگامانه را ثبت کرد.

زویرلین گفت: ما می‌توانیم تک‌اتم‌ها را در این ابرهای جالب از اتم‌ها و آنچه که آنها در رابطه با یکدیگر انجام می‌دهند، ببینیم که بسیار زیباست.

کاوش در ابر اتمی

اتم‌ها یکی از ریزترین اجزای سازنده کیهان هستند که هر کدام فقط یک دهم نانومتر عرض دارند یا تقریباً یک میلیون بار نازکتر از یک تار موی انسان هستند. آنها علاوه بر این از قوانین عجیب مکانیک کوانتومی پیروی می‌کنند که مشاهده و درک رفتار آنها را بسیار دشوار می‌کند.

شناخت موقعیت دقیق اتم و سرعت آن به طور همزمان غیرممکن است که یک اصل اساسی از فیزیک کوانتومی به نام «اصل عدم قطعیت هایزنبرگ» را تعریف می‌کند.

این عدم قطعیت مدت‌هاست که دانشمندانی را که تلاش می‌کنند رفتار اتمی را مستقیماً مشاهده کنند، به چالش کشیده است. با این حال، روش‌های تصویربرداری سنتی مانند تصویربرداری جذبی، تنها یک نمای تار ارائه می‌دهند و شکل کلی یک ابر اتمی را ثبت می‌کنند، اما نه خود اتم‌ها.

اکنون محققان برای غلبه بر این چالش، رویکرد جدیدی به نام «میکروسکوپ حل‌شده اتمی» ابداع کردند که با اجازه دادن به ابری از اتم‌ها برای حرکت و تعامل آزادانه در یک تله لیزری شروع می‌شود.

سپس محققان شبکه‌ای از نور را روشن می‌کنند تا اتم‌ها را در جای خود منجمد کند و از یک لیزر تنظیم‌شده برای روشن کردن اتم‌ها استفاده می‌کند و باعث تابش فلورسانس اتم‌ها می‌شود، حالتی که یک اتم یا مولکول‌ها از طریق آرامش ارتعاشی پس از برانگیختگی الکتریکی به حالت اولیه خود شل می‌شوند و موقعیت دقیق خود را نشان می‌دهند.

گرفتن این نور بدون ایجاد مزاحمت در این سامانه ظریف، کار کوچکی نبود.

به گفته زویرلین، چیزی که واقعاً این روش را قوی‌تر از روش‌های قبلی می‌کند، این است که اولین بار است که آنها آن را در محلی با انجماد حرکت اتم‌ها در حالی که به شدت برهم‌کنش می‌کنند و آنها را یکی پس از دیگری مشاهده می‌کنند، انجام می‌دهند.

عکس‌های فوری کوانتومی

زویرلین و همکارانش از روش تصویربرداری جدید خود برای ثبت برهمکنش‌های کوانتومی بین دو نوع بنیادی ذره موسوم به بوزون‌ها و فرمیون‌ها استفاده کردند.

بوزون‌ها از جمله فوتون‌ها، گلوئون‌ها، بوزون-هیگز و بوزون‌های W و Z که تمایل به جذب دارند، در ابری از اتم‌های سدیم در دماهای پایین جمع شده‌اند و یک میعان بوز-اینشتین(BEC) را تشکیل می‌دهند که در آن همه ذرات حالت کوانتومی یکسانی دارند.

این پیش‌بینی طولانی‌مدت مبتنی بر نظریه «لوئیس دو بروگل»( Louis de Broglie) را تأیید کرد که دسته‌بندی بوزون نتیجه مستقیم توانایی آنها در به اشتراک گذاشتن یک موج کوانتومی است. فرضیه‌ای که به عنوان «موج دو بروگل» شناخته می‌شود که به ظهور مکانیک کوانتومی مدرن کمک کرد.

رویرلین اظهار داشت: ما از این طبیعت موج‌مانند چیزهای بیشتری در مورد جهان درک می‌کنیم، اما مشاهده این اثرات کوانتومی و موج‌مانند واقعاً دشوار است. با این حال، ما با میکروسکوپ جدید خود می‌توانیم این موج را مستقیماً نظاره کنیم.

محققان همچنین از ابری با دو نوع اتم لیتیوم تصویربرداری کردند که هر کدام فرمیونی هستند که به طور معمول اتم‌های دیگر را از خود دفع می‌کند، اما می‌تواند به شدت با انواع فرمیون‌های خاص دیگر تعامل داشته باشد. آنها سپس جفت شدن این فرمیون‌های متضاد را ضبط کردند و مکانیزم کلیدی در پشت ابررسانایی را آشکار کردند.

آنها اکنون قصد دارند این روش را برای کشف حالات کوانتومی پیچیده‌تر و کمتر مورد بررسی قرار گرفته، از جمله رفتارهای گیج کننده‌ای که در فیزیک هال کوانتومی مشاهده می‌شود، بسنجند. اینها شامل سناریوهایی است که در آن الکترون‌های برهم‌کنشی، رفتارهای همبسته غیرعادی را تحت تأثیر میدان مغناطیسی از خود نشان می‌دهند.

زویرلین در یک بیانیه مطبوعاتی نتیجه‌گیری کرد: اکنون می‌توانیم بررسی کنیم که آیا این حالت‌های کوانتومی هال واقعی هستند یا خیر، زیرا آنها حالت‌های بسیار عجیبی هستند.

این مطالعه در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.