فيزياء الكم: تم الآن ملاحظة التأثير الغريب الذي تم التنبؤ به قبل 30 عامًا

حجب باولي ، وهي ظاهرة كمومية تجعل غازًا كميًا كثيفًا يتحول فجأة إلى شفاف ، تمت ملاحظته الآن في ثلاث تجارب مستقلة

الفيزياء


18 نوفمبر 2021

استخدام ضوء الليزر الأزرق في التجربة

يتم استخدام ضوء الليزر الأزرق لقياس كيفية تأثير تأثيرات الكم على تشتت الضوء في غاز شديد البرودة من ذرات السترونشيوم

كريستيان سانر ، مختبرات يي / جيلا

إذا حصلت على سحابة كثيفة من الغاز الكمومي باردة بدرجة كافية ، يمكنك أن ترى من خلالها مباشرة. تحدث هذه الظاهرة ، التي تسمى حظر باولي ، بسبب نفس التأثيرات التي تعطي الذرات هيكلها ، وقد تمت ملاحظتها الآن لأول مرة.

تقول أميتا ديب من جامعة أوتاجو بنيوزيلندا ، وهي عضوة في أحد الفرق الثلاثة التي شاهدت هذا بشكل مستقل: “لقد كان هذا تنبؤًا نظريًا لأكثر من ثلاثة عقود”. “هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها إثبات ذلك تجريبيًا.”

يحدث حجب باولي في الغازات المكونة من نوع من الجسيمات يسمى الفرميون ، وهي فئة تشمل البروتونات والنيوترونات والإلكترونات التي تشكل جميع الذرات. تخضع هذه الجسيمات لقاعدة تسمى مبدأ استبعاد باولي ، والتي تنص على أنه لا يمكن لاثنين من الفرميونات المتماثلة أن تشغل نفس الحالة الكمومية في نظام معين.

يقول Brian DeMarco من جامعة إلينوي في Urbana-Champaign ، والذي لم يكن عضوًا في أي من الفرق الثلاثة التي رصدتها ، “التأثير نفسه مسؤول عن سبب عدم سقوطك على الأرض”. “هذه الفيزياء ، التي يصعب مراقبتها ، تحيط بك في كل مكان وتساعد في تحديد بنية واستقرار المادة.”

يحدث حجب باولي عندما يتم تجميع الفرميونات الموجودة في الغاز معًا بشكل وثيق بحيث تمتلئ جميع الحالات الكمية المتاحة ، في شكل مادة تسمى بحر فيرمي. عندما يكون هذا هو الحال ، تصبح الجسيمات غير قادرة على الحركة ، لذلك لا يمكن للضوء أن ينقل الزخم إليها. نظرًا لأن الضوء الذي تمتصه الجسيمات أو يرتد عنها سوف ينقل الزخم ، فإن الضوء يضطر إلى السطوع مباشرة دون التفاعل مع الغاز.

يقول يائير مارغاليت من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، وهو عضو في أحد الفرق الثلاثة: “هذه ظاهرة أساسية للغاية ، لكنها نوع من الشيطان أن نراها”. “أنت بحاجة إلى هذه الظروف القاسية لتتمكن من رؤيتها – كثافات عالية ودرجات حرارة منخفضة للغاية – ومن الصعب الحصول على هاتين هاتين العقارتين في وقت واحد.”

أجرت المجموعات الثلاث جميعها تجارب مماثلة مع ذرات تم صيدها في مصائد مغناطيسية ثم بردت لتقترب من الصفر المطلق. استخدم كل منهما ذرة مختلفة ، لكنه وجد نتائج مماثلة: كان تشتت الضوء من الغازات أقل بشكل ملحوظ عندما كانت باردة وكثيفة بما يكفي لتشكيل بحر فيرمي.

يقول ديب: “إنه لأمر رائع أن تأتي ثلاث تجارب في نفس الوقت وتتطرق إلى المشكلة من اتجاهات مختلفة”. كانت نتائج الثلاثة متسقة مع بعضها البعض.

يمكن أن يساعد هذا الاكتشاف الباحثين على دراسة الذرات في الحالات عالية الطاقة أو المتحمسة ، والتي تميل إلى الاضمحلال بسرعة. “تخيل أنني أخذت ذرة متحمسة من مكان آخر وأضعها في بحر ذرات فيرمي هذا. يقول كريستيان سانر من معهد أبحاث JILA في كولورادو ، وهو عضو في أحد الفرق: “عندما تحاول العودة من الحالة المثارة ، لا يوجد مكان تذهب إليه ، وبالتالي فإن عمر تلك الحالة يتم تعزيزه بشكل مصطنع”.

يقول الباحثون إن هذه الظاهرة يمكن أن تكون مفيدة أيضًا في أجهزة الكمبيوتر الكمومية. ذلك لأن الذرات المستخدمة في بعض هذه الأجهزة يمكن أن تكون حساسة للغاية للضوء الوارد ، ويمكن أن يؤدي تجهيز أجزاء من أجهزة الكمبيوتر في بحر فيرمي إلى تقليل هذه الحساسية ومساعدتها في الحفاظ على حالتها الكمومية لفترة أطول ، مما يزيد من استقرار الآلات.

مراجع المجلة: علم، DOI: 10.1126 / science.abh3483 ، DOI: 10.1126 / science.abh3470 ، DOI: 10.1126 / science.abi6153

اشترك في Lost in Space-Time ، نشرة إخبارية شهرية مجانية عن غرابة الواقع

المزيد عن هذه المواضيع:

التعليقات

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *