يستخدم علماء الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الخاصية الذرية الأساسية لتحويل المادة إلى غير مرئية
الذرات فائقة الكثافة فائقة البرودة تصبح غير مرئية

أكدت دراسة جديدة أنه عندما يتم تبريد الذرات وضغطها إلى أقصى الحدود ، يتم قمع قدرتها على تشتيت الضوء. الائتمان: كريستين دانيلوف ، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

كيف تصبح الذرات فائقة الكثافة وفائقة البرودة غير مرئية

أكدت دراسة جديدة أنه عندما يتم تبريد الذرات وضغطها إلى أقصى الحدود ، يتم قمع قدرتها على تشتيت الضوء.

ان ذرةالإلكترونات مرتبة في أغلفة الطاقة. مثل رواد الحفلات الموسيقية في ساحة ما ، يشغل كل إلكترون كرسيًا واحدًا ولا يمكن أن ينزل إلى مستوى أدنى إذا كانت جميع كراسيه مشغولة. تُعرف هذه الخاصية الأساسية للفيزياء الذرية بمبدأ استبعاد باولي ، وهي تشرح بنية غلاف الذرات ، وتنوع الجدول الدوري للعناصر ، واستقرار الكون المادي.

حاليا، مع لاحظ الفيزيائيون مبدأ استبعاد باولي ، أو منع باولي ، بطريقة جديدة تمامًا: لقد اكتشفوا أن التأثير يمكن أن يمنع كيف تشتت سحابة من الذرات الضوء.

عادة ، عندما تخترق فوتونات الضوء سحابة من الذرات ، يمكن للفوتونات والذرات أن تتناثر مثل كرات البلياردو ، مما يؤدي إلى تشتيت الضوء في كل اتجاه لإشعاع الضوء ، وبالتالي جعل السحابة مرئية. ومع ذلك ، لاحظ فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أنه عندما يتم تبريد الذرات بشكل فائق وعصرها فائقًا ، يبدأ تأثير باولي ويكون للجسيمات مساحة أقل لتشتيت الضوء. وبدلاً من ذلك ، تتدفق الفوتونات عبرها دون أن تتشتت.

مبدأ Pauli Blocking

يمكن توضيح مبدأ حظر باولي من خلال تشبيه الأشخاص الذين يملأون المقاعد في الساحة. يمثل كل شخص ذرة ، بينما يمثل كل مقعد حالة كمومية. في درجات الحرارة المرتفعة (أ) ، تجلس الذرات بشكل عشوائي ، بحيث يمكن لكل جسيم أن يشتت الضوء. في درجات حرارة منخفضة (ب) ، تتجمع الذرات معًا. فقط أولئك الذين لديهم مساحة أكبر بالقرب من الحافة يمكنهم تشتيت الضوء. الائتمان: بإذن من الباحثين

لاحظ الفيزيائيون في تجاربهم هذا التأثير في سحابة من ذرات الليثيوم. نظرًا لأنها أصبحت أكثر برودة وكثافة ، فقد تشتت الذرات ضوءًا أقل وأصبحت أكثر إعتامًا بشكل تدريجي. يعتقد الباحثون أنه إذا تمكنوا من دفع الظروف أكثر ، إلى درجات حرارة تصل إلى الصفر المطلق، ستصبح السحابة غير مرئية تمامًا.

تم الإبلاغ عن نتائج الفريق اليوم في علم، تمثل الملاحظة الأولى لتأثير Pauli الذي يحجب على تشتت الضوء بواسطة الذرات. تم توقع هذا التأثير قبل 30 عامًا ولكن لم يتم ملاحظته حتى الآن.

يقول ولفجانج كيتيرل ، أستاذ الفيزياء في معهد جون د. “ما لاحظناه هو شكل خاص جدًا وبسيط لحجب باولي ، وهو أنه يمنع الذرة مما تفعله جميع الذرات بشكل طبيعي: تشتت الضوء. هذه هي الملاحظة الأولى الواضحة لوجود هذا التأثير ، وهي تظهر ظاهرة جديدة في الفيزياء “.

المؤلفون المشاركون في Ketterle هم المؤلف الرئيسي وباحث ما بعد الدكتوراة السابق في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا Yair Margalit ، وطالب الدراسات العليا Yu-kun Lu ، و Furkan Top PhD ’20. ينتمي الفريق إلى قسم الفيزياء بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، ومركز هارفارد للذرات فائقة البرودة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، ومختبر أبحاث الإلكترونيات التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (RLE).

ركلة خفيفة

عندما جاء كيتيرل إلى معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا كباحث لما بعد الدكتوراة قبل 30 عامًا ، توقع معلمه ديفيد بريتشارد ، سيسيل ، وأستاذ الفيزياء إيدا جرين إيدا جرين ، أن حجب باولي سيثبط الطريقة التي تبعثر بها ذرات معينة تعرف باسم الفرميونات الضوء.

كانت فكرته ، بشكل عام ، أنه إذا تم تجميد الذرات إلى شبه توقف تام وضغطها في مساحة ضيقة بدرجة كافية ، فإن الذرات تتصرف مثل الإلكترونات في أغلفة طاقة معبأة ، مع عدم وجود مجال لتغيير سرعتها أو موضعها. إذا كانت فوتونات الضوء تتدفق ، فلن تكون قادرة على التبعثر.

يو كون لو

يو-كون لو ، طالب الدراسات العليا ، يقوم بمحاذاة البصريات لمراقبة تشتت الضوء من سحب الذرة شديدة البرودة. الائتمان: بإذن من الباحثين

يشرح Ketterle قائلاً: “يمكن للذرة أن تشتت الفوتون فقط إذا تمكنت من امتصاص قوة ركلتها ، عن طريق الانتقال إلى كرسي آخر” ، مستشهدة بتشبيه جلوس الحلبة. “إذا كانت جميع الكراسي الأخرى مشغولة ، فلن يكون لديها القدرة على امتصاص الركلة وتشتيت الفوتون. لذلك ، تصبح الذرات شفافة “.

ويضيف Ketterle: “لم تُلاحظ هذه الظاهرة من قبل ، لأن الناس لم يكونوا قادرين على تكوين غيوم شديدة البرودة والكثافة بدرجة كافية”.

“السيطرة على العالم الذري”

في السنوات الأخيرة ، طور الفيزيائيون بمن فيهم أولئك في مجموعة Ketterle تقنيات مغناطيسية تعتمد على الليزر لخفض الذرات إلى درجات حرارة شديدة البرودة. كما يقول ، كان العامل المحدد هو الكثافة.

يقول Ketterle: “إذا لم تكن الكثافة عالية بما يكفي ، فلا يزال بإمكان الذرة تشتيت الضوء بالقفز فوق بضعة مقاعد حتى تجد بعض المساحة”. “كان هذا هو عنق الزجاجة.”

في دراستهم الجديدة ، استخدم هو وزملاؤه تقنيات طوروها سابقًا لتجميد أولاً سحابة من الفرميونات – في هذه الحالة ، نظير خاص لذرة الليثيوم ، التي تحتوي على ثلاثة إلكترونات وثلاثة بروتونات وثلاثة نيوترونات. قاموا بتجميد سحابة من ذرات الليثيوم وصولا إلى 20 ميكروكلفين ، وهي حوالي 1/10000 درجة حرارة الفضاء بين النجوم.

يوضح لو: “استخدمنا بعد ذلك ليزرًا شديد التركيز لضغط الذرات شديدة البرودة لتسجيل كثافات تصل إلى حوالي كوادريليون ذرة لكل سنتيمتر مكعب”.

قام الباحثون بعد ذلك بتسليط شعاع ليزر آخر في السحابة ، وقاموا بمعايرتها بعناية حتى لا تسخن فوتوناتها الذرات شديدة البرودة أو تغير كثافتها مع مرور الضوء من خلالها. أخيرًا ، استخدموا عدسة وكاميرا لالتقاط وحساب الفوتونات التي تمكنت من التشتت بعيدًا.

يقول مارغاليت: “نحن في الواقع نحسب بضع مئات من الفوتونات ، وهو أمر مذهل حقًا”. “الفوتون هو مقدار ضئيل من الضوء ، لكن أجهزتنا حساسة للغاية بحيث يمكننا رؤيتها على أنها نقطة صغيرة من الضوء على الكاميرا.”

في درجات حرارة منخفضة بشكل تدريجي وكثافة أعلى ، تشتت الذرات ضوءًا أقل وأقل ، تمامًا كما تنبأت نظرية بريتشارد. في أبرد درجاتها ، عند حوالي 20 ميكرو كلفن ، كانت الذرات أضعف بنسبة 38 بالمائة ، مما يعني أنها تشتت 38 بالمائة من الضوء أقل من الذرات الأقل برودة والأقل كثافة.

يقول مارغاليت: “هذا النظام من السحب شديدة البرودة والكثيفة جدًا له تأثيرات أخرى يمكن أن تخدعنا”. “لذلك ، أمضينا بضعة أشهر جيدة في غربلة هذه التأثيرات ووضعها جانبًا ، للحصول على أوضح قياس.”

الآن بعد أن لاحظ الفريق أن حجب باولي يمكن أن يؤثر بالفعل على قدرة الذرة على تشتيت الضوء ، يقول Ketterle إن هذه المعرفة الأساسية يمكن استخدامها لتطوير مواد ذات تشتت ضوئي مكبوت ، على سبيل المثال للحفاظ على البيانات في أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

“عندما نتحكم في العالم الكمي ، كما هو الحال في أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، يكون تشتت الضوء مشكلة ، ويعني أن المعلومات تتسرب من جهاز الكمبيوتر الكمي الخاص بك ،” يتأمل. “هذه طريقة واحدة لقمع تشتت الضوء ، ونحن نساهم في الفكرة العامة للتحكم في العالم الذري.”

المرجع: “Pauli حجب تشتت الضوء في الفرميونات المتدهورة” بقلم يائير مارغاليت ويو كون لو وفوركان شاغري توب وولفغانغ كيتيرل ، 18 نوفمبر 2021 ، علم.
DOI: 10.1126 / science.abi6153

تم تمويل هذا البحث جزئيًا من قبل مؤسسة العلوم الوطنية ووزارة الدفاع. تظهر الأعمال ذات الصلة من قبل فرق من جامعة كولورادو وجامعة أوتاجو في نفس العدد من علم.

التعليقات

اترك تعليقاً

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