دانشمندان با سردسازی اتم‌های روبیدیوم تا دمای معادل ۹٫۷ پیکوکلوین در ایستگاه فضایی چین، رکورد جدیدی در آزمایش‌های کوانتومی ثبت کردند.
فهرست مطالب
دانشمندان چینی با سردسازی اتم‌های روبیدیوم تا دمای معادل ۹٫۷ پیکوکلوین در ایستگاه فضایی این کشور، رکورد جدیدی در آزمایش‌های کوانتومی ثبت کردند.
به گزارش سرویس فیزیک تک‌ناک، این پژوهشگران با استفاده از پرتوهای لیزر متمرکز، حدود ۲۰ هزار اتم روبیدیوم را در ایستگاه فضایی چین به دام انداختند. آنها پس از آزادسازی اتم‌ها از تله لیزری، حرکت ابر اتمی را به مدت هفت ثانیه بررسی کردند و با اندازه‌گیری انبساط آن در سه بُعد، به دمای معادل ۹٫۷ پیکوکلوین دست یافتند.
این دما تقریبا یک‌چهارم رکورد قبلی است و پیشرفت مهمی در آزمایش‌های فیزیک کوانتومی محسوب می‌شود. پژوهشگران توانستند با استفاده از شرایط ریزگرانش، حالت خاصی از ماده به نام «چگالش بوز-اینشتین» را تولید و کنترل کنند.
در این حالت، اتم‌ها رفتار جمعی پیدا می‌کنند و مانند یک موج کوانتومی واحد عمل می‌کنند. افزایش زمان مشاهده انبساط ابر اتمی نیز فرصت بیشتری برای مطالعه ویژگی‌های غیرمعمول ماده و انجام اندازه‌گیری‌های دقیق در مدار زمین فراهم می‌کند.
دلیل انجام این آزمایش در ایستگاه فضایی چین
گرانش زمین یکی از موانع اصلی سردسازی و کنترل اتم‌ها در آزمایش‌های کوانتومی است. این نیرو اتم‌ها را درون تله به سمت پایین می‌کشد و با کاهش قدرت محصورسازی، نگه داشتن آنها را دشوارتر می‌کند.
دانشمندان برای مقابله با این مشکل می‌توانند از روش شناوری مغناطیسی استفاده کنند. هرچند، این روش به یکسان بودن حالت اسپین داخلی تمام اتم‌ها نیاز دارد و محدودیت‌هایی برای آزمایش‌های مختلف ایجاد می‌کند.
در مقابل، تله‌های ساخته‌شده از پرتوهای لیزر متمرکز، انعطاف‌پذیری بیشتری برای کنترل حالت‌های اتمی فراهم می‌کنند.
پژوهشگران در آزمایش‌های زمینی پیشین از برج‌های سقوط آزاد برای ایجاد دوره‌های کوتاه ریزگرانش استفاده کرده بودند. یکی از این آزمایش‌ها توانست رکورد دمای ۳۸ پیکوکلوین را ثبت کند، اما زمان مشاهده انبساط ابر اتمی در آن تنها دو ثانیه بود.
آزمایشگاه اتم سرد ایستگاه فضایی بین‌المللی نیز با استفاده از تله مغناطیسی و روش عدسی‌سازی موج ماده، به دمای ۵۲ پیکوکلوین رسیده بود. در آن آزمایش، پژوهشگران فقط یک ثانیه فرصت مشاهده انبساط آزاد اتم‌ها را داشتند.
ایستگاه فضایی چین شرایطی فراهم کرد تا دانشمندان ابر اتمی را برای مدت طولانی‌تری در محیط ریزگرانش بررسی کنند. این مزیت امکان کاهش بیشتر انرژی انبساط و اندازه‌گیری دقیق‌تر رفتار اتم‌ها را فراهم کرد.
استفاده از تله لیزری برای کاهش سرعت انبساط اتم‌ها
پژوهشگران آزمایش را با حدود ۲۰ هزار اتم روبیدیوم آغاز کردند. آنها ابتدا با استفاده از روش سردسازی لیزری، سرعت حرکت اتم‌ها را کاهش دادند.
سپس از روش سردسازی تبخیری برای حذف پرانرژی‌ترین اتم‌ها استفاده کردند. این فرایند باعث شد اتم‌های باقی‌مانده درون یک تله دوقطبی نوری، چگالش بوز-اینشتین تشکیل دهند.
همچنین دانشمندان از گرادیان میدان مغناطیسی برای بهبود مرحله اولیه سردسازی استفاده کردند. این روش به تولید چگالشی کمک کرد که حساسیت کمتری به اختلالات مغناطیسی داشت.
در مرحله بعد، پژوهشگران ابر اتمی را به یک تله نوری بزرگ‌تر منتقل کردند و به‌تدریج قدرت محصورسازی آن را کاهش دادند. این اقدام انرژی محرک انبساط ابر اتمی را پس از آزادسازی کاهش داد.
سپس آنها سرعت گسترش ابر اتمی را در سه محور اندازه‌گیری کردند و با استفاده از داده‌های ثبت‌شده، دمای معادل آن را محاسبه کردند.
دمای معادل در این آزمایش، معیاری از انرژی مرتبط با انبساط ابر اتمی است و لزوما به معنای اندازه‌گیری مستقیم دمای حرارتی آن نیست.
نتایج نشان داد که این مقدار به ۹٫۷ پیکوکلوین رسیده است. پژوهشگران محدوده عدم قطعیت اندازه‌گیری را نیز بین ۷ تا ۱۲٫۹ پیکوکلوین اعلام کردند.
کاربرد این دستاورد در آزمایش‌های کوانتومی آینده
پژوهشگران معتقد هستند که این دستاورد در ایستگاه فضایی چین می‌تواند زمینه اجرای آزمایش‌های دقیق‌تر را درباره رفتار ماده و اصول بنیادی فیزیک فراهم کند.
نویسندگان پژوهش، چگالش‌های بوز-اینشتین را بسترهایی انعطاف‌پذیر برای شبیه‌سازی کوانتومی توصیف کرده‌اند. دانشمندان می‌توانند با استفاده از میدان‌های لیزری دقیق، نحوه ازبین رفتن نظم کوانتومی در گازهای یک‌بعدی و چگونگی سازمان یافتن اتم‌ها در محیط‌های نامنظم را بررسی کنند.
به گفته پژوهشگران، استفاده از تله‌هایی با حجم قابل تنظیم می‌تواند امکان به‌کارگیری تعداد بیشتری از اتم‌ها را در آزمایش‌های آینده فراهم کند.
یکی دیگر از کاربردهای احتمالی این فناوری، ساخت تداخل‌سنج اتمی ماخ-زندر در فضا است. این دستگاه با جدا کردن و ترکیب دوباره امواج اتمی، اختلاف‌های بسیار کوچک در حرکت آنها را شناسایی می‌کند.
افزایش زمان مشاهده باعث می‌شود این اختلاف‌ها فرصت بیشتری برای انباشته شدن داشته باشند و اندازه‌گیری آنها آسان‌تر شود.
نویسندگان پژوهش اعلام کردند که ساخت چنین دستگاهی می‌تواند امکان آزمایش دقیق اصول بنیادی فیزیک، از جمله اصل هم‌ارزی را فراهم کند.
اصل هم‌ارزی بیان می‌کند که اجسام مختلف در شرایط یکسان، تحت تأثیر گرانش با شتاب یکسانی سقوط می‌کنند. پژوهشگران می‌توانند با بررسی رفتار امواج اتمی در مدار زمین، این اصل را با دقت بیشتری آزمایش کنند.
نتایج این پژوهش در مجله علمی Science منتشر شده است و می‌تواند مبنایی برای توسعه آزمایش‌های کوانتومی فضایی در آینده باشد.