ساخت لیزری اتمی که تا ابد کار می‌کند
فیزیکدانان یک لیزر اتمی جدید را مهندسی کرده‌اند که می‌تواند برای همیشه روشن بماند و کاربردهای عملی آن می‌تواند بی حد و حصر باشد.
به گزارش آی‌ای، مکانیک کوانتومی حکم می‌کند که ذراتی مانند اتم‌ها نیز باید به عنوان امواج در نظر گرفته شوند و از نظر فنی می‌توانیم «لیزرهای اتمی» حاوی امواج منسجم ماده بسازیم. اما مشکل در مدت ماندگاری این امواج ماده است تا بتوان از آنها در کاربردهای عملی استفاده کرد.
اکنون گروهی از فیزیکدانان آمستردام نشان داده‌اند که ماندگار کردن آنها با برخی دستکاری‌های این مفهوم که زیربنای لیزر اتمی است و به اصطلاح "چگالش بوز-اینشتین" یا به اختصار "BEC" نامیده میشود، ممکن است.
"چگالش بوز–اینشتین"(Bose–Einstein condensate) پنجمین و جدیدترین حالت ماده است. این حالت، حالتی از ماده است که در آن یک گازِ رقیقِ به نام بوزون(Boson) را تا دمای بسیار پایین و در دمای منفی ۲۷۳٫۱۴ درجه سانتی‌گراد(بسیار نزدیک به صفر مطلق) سرد می‌کنند. در اثر دمای بسیار پایین در این گذار فاز، بخش بسیار بزرگی از بوزون‌ها کمترین حالت کوانتومی را اشغال می‌کنند و در آن نقطه "پدیده کوانتومیِ ماکروسکوپی" آشکار میشود. بوزون‌های سرد در هم فرومی‌روند و ابَر ذره‌هایی که رفتاری بیشتر شبیه یک ریزموج دارد تا ذره‌های معمولی شکل می‌گیرد. ماده چگال‌شده بوز–اینشتین شکننده و سرعت عبور نور در آن بسیار کم است.
ایجاد یک "چگالش بوز-اینشتین" پیوسته
محققان اکنون موفق شده‌اند مشکل دشوار ایجاد یک چگالش بوز-اینشتین پیوسته را حل کنند. "فلوریان شرک" رهبر این تیم در یک بیانیه توضیح داد که چگونه آنها موفق به انجام این کار شده‌اند.
وی گفت: در آزمایش‌های قبلی، خنک‌سازی تدریجی اتم‌ها همه در یک مکان انجام می‌شد. ما در تنظیمات خود تصمیم گرفتیم مراحل خنک‌سازی را نه در طول زمان، بلکه در فضا پخش کنیم و اتم‌ها در حالی که در مراحل متوالی خنک‌سازی پیش می‌روند، حرکت کنند.
وی افزود: در پایان، اتم‌های فوق سرد به قلب آزمایش می‌رسند، جایی که می‌توان از آنها برای تشکیل امواج ماده منسجم در یک BEC استفاده کرد. اما در حالی که این اتم‌ها در حال استفاده هستند، اتم‌های جدید در راه هستند تا BEC را دوباره پر کنند. به این ترتیب ما می‌توانیم این روند را اساساً برای همیشه و تا ابد ادامه دهیم.
در حالی که این ایده نسبتاً ساده به نظر می‌رسد، اما عملی کردن آن بسیار دشوار است.
"چون-چیا چن" نویسنده ارشد این مطالعه می‌گوید: این تیم قبلاً در سال ۲۰۱۲ وقتی که هنوز در "اینسبروک" اتریش بود، تکنیکی را کشف کرد که به BEC اجازه می‌داد در مقابل نور خنک‌کننده لیزر محافظت شود و برای اولین بار خنک‌سازی لیزری را تا حالت انحطاط مورد نیاز برای امواج منسجم ممکن می‌ساخت. در حالی که این اولین گام حیاتی به سمت چالش ساخت لیزر اتمی پیوسته و طولانی مدت بود، همچنین واضح بود که برای پیشبرد آن به یک ماشین اختصاصی نیاز است.
وی افزود: ما با انتقال به آمستردام هلند در سال ۲۰۱۳، با یک جهش و گروهی که کاملاً با کمک‌های مالی شخصی تأمین می‌شد، شروع کردیم. شش سال بعد، در ساعات اولیه صبح کریسمس سال ۲۰۱۹ این آزمایش سرانجام در آستانه عملیات قرار گرفت. ما ایده اضافه کردن یک پرتوی لیزر اضافی برای حل آخرین مشکل فنی را داشتیم و بلافاصله هر تصویری که می‌گرفتیم یک BEC را نشان می‌داد که اولین BEC موج پیوسته بود.
اکنون که محققان در ایجاد یک چگالش بوز-اینشتین پیوسته موفق شده‌اند، امیدوارند از این لیزر اتمی برای ایجاد یک پرتوی خروجی پایدار از ماده استفاده کنند.
اگر محققان موفق به تولید لیزرهایی شوند که نه تنها می‌توانند برای همیشه کار کنند، بلکه می‌توانند پرتوهای پایدار نیز تولید کنند، کاربردهای آن بی حد و حصر خواهد بود. البته محققان هنوز راه زیادی در پیش دارند. اما کار آنها هم امیدوارکننده و هم هیجان انگیز است.
نتایج این مطالعه در مجله "نیچر"(Nature) منتشر شده است.