جعل الذرات تفعل ما تريد ليس بالأمر السهل – لكنها في صميم الكثير من الأبحاث الرائدة في الفيزياء حيث إن إنشاء أشكال جديدة من المادة والتحكم فيها له أهمية خاصة ومجال بحث نشط.
وكشفت الدراسة الجديدة ، التي نُشرت في مجلة (أكاديمية فيزيكال ريفيو) Physical Review Letters ، عن طريقة جديدة تمامًا لنحت الذرات شديدة البرودة إلى أشكال مختلفة باستخدام ضوء الليزر.
وتعتبر الذرات شديدة البرودة ، المبردة إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق (-273 درجة مئوية) ، ذات أهمية كبيرة للباحثين لأنها تسمح لهم برؤية واستكشاف الظواهر الفيزيائية التي قد تكون مستحيلة لولا ذلك.
وفي درجات الحرارة هذه ، وهي أبرد من الفضاء الخارجي ، تشكل مجموعات الذرات حالة جديدة من المادة (ليست صلبة أو سائلة أو غازية) تُعرف باسم مكثفات بوز-آينشتاين (BEC). في عام 2001 ، مُنح علماء الفيزياء جائزة نوبل لتوليدهم مثل هذا المكثف.
والسمة المميزة لـ BEC هي أن ذراتها تتصرف بشكل مختلف تمامًا عما نتوقعه عادةً. بدلاً من العمل كجزيئات مستقلة ، تتمتع جميعها بنفس الطاقة (منخفضة جدًا) ويتم تنسيقها مع بعضها البعض.
وهذا مشابه للاختلاف بين الفوتونات (جسيمات الضوء) القادمة من الشمس ، والتي قد يكون لها أطوال موجية مختلفة (طاقات) وتتذبذب بشكل مستقل ، وتلك الموجودة في أشعة الليزر ، والتي لها نفس الطول الموجي وتتأرجح معًا.
وفي هذه الحالة الجديدة للمادة ، تعمل الذرات مثل بنية واحدة تشبه الموجة أكثر من كونها مجموعة من الجسيمات الفردية.
وتمكن الباحثون من عرض أنماط تداخل تشبه الموجة بين اثنين من BECs مختلفة وحتى إنتاج “قطرات BEC” متحركة. يمكن اعتبار الأخير بمثابة المكافئ الذري لحزمة الليزر .
وفي الدراسة الأخيرة ، التي تم إجراؤها مع الزملاء جوردون روب وجيان لوكا أوبو ، تم البحث في كيفية استخدام أشعة الليزر المصممة خصيصًا لمعالجة الذرات شديدة البرودة في BEC.
وإن فكرة استخدام الضوء لتحريك الأشياء ليست جديدة: فعندما يسقط الضوء على جسم ما ، يمكن أن يمارس قوة (صغيرة جدًا). هذا الضغط الإشعاعي هو المبدأ الكامن وراء فكرة الأشرعة الشمسية ، حيث يمكن استخدام القوة التي يمارسها ضوء الشمس على المرايا الكبيرة لدفع مركبة فضائية عبر الفضاء.
ومع ذلك ، في هذه الدراسة ، استخدم الباحثون نوعًا معينًا من الضوء لا يمكنه فقط “دفع” الذرات ، ولكن أيضًا تدويرها حولها ، مثل ” مفتاح الربط البصري “.
وتبدو أشعة الليزر هذه على شكل حلقات ساطعة (أو كعكات) بدلاً من نقاط ولها واجهة موجة ملتوية (حلزونية).
وفي ظل الظروف الصحيحة ، عندما يتم تسليط مثل هذا الضوء الملتوي على BEC متحرك ، تنجذب الذرات الموجودة فيه أولاً نحو الحلقة الساطعة قبل أن تدور حولها.
وأثناء دوران الذرات ، يبدأ كل من الضوء والذرات في تكوين قطرات تدور حول الاتجاه الأصلي لشعاع الليزر قبل أن يتم إخراجها للخارج بعيدًا عن الحلقة.
وعدد القطرات يساوي ضعف عدد اللفات الخفيفة. من خلال تغيير عدد أو اتجاه الالتواءات في حزمة الليزر الأولية ، أصبح لدينا سيطرة كاملة على عدد القطرات التي تشكلت ، وسرعة واتجاه دورانها اللاحق.
ويضيء الضوء الملتوي على BEC متحرك ، وينحته في حلقة قبل كسره إلى عدد من قطرات BEC التي تدور حول اتجاه الضوء قبل أن تتحرر وتلتف بعيدًا.
ويمكننا حتى منع القطرات الذرية من الهروب من الحلقة بحيث تستمر في الدوران لفترة أطول ، منتجة شكلاً من أشكال التيار الذري شديد البرودة.
ويفتح هذا النهج المتمثل في تسليط الضوء الملتوي من خلال الذرات شديدة البرودة طريقة جديدة وبسيطة للتحكم في المادة ونحتها إلى أشكال أخرى غير تقليدية ومعقدة.
وأحد أكثر التطبيقات المحتملة إثارة لـ BECs هو توليد ” الدوائر الإلكترونية الذرية ” ، حيث يتم توجيه موجات المادة من الذرات شديدة البرودة ومعالجتها بواسطة المجالات الضوئية و / أو المغناطيسية لتشكيل مكافئات متقدمة للدوائر الإلكترونية والأجهزة مثل الترانزستورات والثنائيات.
وإن القدرة على التلاعب بشكل موثوق به في شكل BEC ستساعد في النهاية في إنشاء دوائر atomtronic.
وإن ذراتنا شديدة البرودة ، التي تعمل هنا مثل ” جهاز التداخل الكمي فائق التوصيل الذري ” ، لديها القدرة على توفير أجهزة أعلى بكثير من الأجهزة الإلكترونية التقليدية.
وذلك لأن الذرات المحايدة تؤدي إلى فقدان معلومات أقل من الإلكترونات التي تشكل التيار في العادة. لدينا أيضًا القدرة على تغيير ميزات الجهاز بسهولة أكبر.
ومع ذلك ، فإن الأمر الأكثر إثارة هو حقيقة أن طريقتنا تتيح لنا إمكانية إنتاج دوائر إلكترونية معقدة سيكون من المستحيل تصميمها باستخدام مواد عادية.
ويمكن أن يساعد ذلك في تصميم مستشعرات كمية يمكن التحكم فيها بشكل كبير ويمكن إعادة تشكيلها بسهولة وقادرة على قياس المجالات المغناطيسية الصغيرة التي قد تكون غير قابلة للقياس لولا ذلك.
وقد تكون هذه المستشعرات مفيدة في مجالات تتراوح من أبحاث الفيزياء الأساسية إلى اكتشاف مواد جديدة أو قياس الإشارات من الدماغ.
التعليقات