أكدت دراسة جديدة أنه يتم قمع تشتت الضوء حيث يتم تبريد الذرات وضغطها إلى الذروة. الائتمان: كريستين دانيلوف ، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا
Ultracolt ، كيف تصبح الذرات فائقة التوصيل غير مرئية
أكدت دراسة جديدة أنه يتم قمع تشتت الضوء حيث يتم تبريد الذرات وضغطها إلى الذروة.
أ ذرةفي الإلكترونات مرتبة في لوحات الطاقة. مثل أولئك الذين يؤدون في ساحة ما ، إذا احتل كل إلكترون كرسيًا وكانت جميع كراسيه مشغولة ، فلن يتمكن من النزول إلى الطابق السفلي. هذه الخاصية الأساسية للفيزياء الذرية تسمى مبدأ متعدد الحدود ، وهي تشرح بنية غلاف الذرات ، وتوقيت العناصر ، واستقرار الكون المادي.
حاليا، مع لاحظ الفيزيائيون طريقة جديدة تمامًا للإقصاء المتعدد أو الحجب المتعدد: لقد اكتشفوا كيف تشتت سحابة الذرات الضوء ويمكن أن تكبح تأثيرها.
بشكل عام ، عندما تخترق فوتونات الضوء سحابة من الذرات ، يمكن للفوتونات والذرات أن تتناغم مع بعضها البعض مثل كرات البلياردو ، مما يؤدي إلى تشتيت الضوء في كل اتجاه ، مما يجعل السحابة مرئية. ومع ذلك ، عندما تكون ذرات مجموعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا فائقة التبريد والموجات فوق الصوتية ، يبدأ التأثير المتعدد ويكون للجسيمات مساحة أقل لتشتيت الضوء. وبدلاً من ذلك ، تتدفق الفوتونات دون تشتت.
يمكن تفسير التدوين المتعدد من خلال تشبيه الأشخاص الذين يملأون المقاعد في ساحة ما. يمثل كل شخص ذرة ، وكل مقعد يمثل حالة كمية. في درجات الحرارة العالية (أ) ، تجلس الذرات بشكل عشوائي بحيث يمكن لكل جسيم أن يشتت الضوء. في درجات حرارة منخفضة (ب) ، تتحد الذرات. فقط أولئك الذين لديهم مساحة أكبر بالقرب من الحافة يمكنهم تشتيت الضوء. الشكر: بإذن من الباحثين
رأى الفيزيائيون في تجاربهم هذا التأثير في سحابة ذرات الليثيوم. عندما أصبحت أكثر برودة وكثافة ، تشتت الذرات ضوءًا أقل وتلاشت تدريجياً. لا يزال الباحثون يكافحون لجمع أدلة كافية قبل الوصول إلى الاستنتاجات النهائية الصفر المطلق، تصبح السحابة غير مرئية تمامًا.
تم الإعلان عن نتائج الفريق اليوم علم، يشير إلى الملاحظة الأولى لتأثير تثبيط بولي على تشتت الضوء بواسطة الذرات. تم توقع هذا التأثير قبل 30 عامًا ولكن لم يتم ملاحظته حتى الآن.
قال جون د. سنايدر ، أستاذ الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “تم إثبات التدوينات المتعددة بشكل عام ، وهي ضرورية للغاية لاستقرار العالم من حولنا”. آرثر. “ما لاحظناه هو شكل خاص وبسيط من أشكال التثبيط المتعدد ، والذي يمنع الذرة من العمل بشكل طبيعي على جميع الذرات: تشتت الضوء. هذه هي الملاحظة الأولى الواضحة لوجود هذا التأثير ، وهي تظهر ظاهرة جديدة في الفيزياء.”
المؤلفون المشاركون في Ketterle هم المؤلف الرئيسي و MIT السابق لما بعد الدكتوراة 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 ، ومختبر أبحاث الإلكترونيات التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (RLE).
ركلة خفيفة
عندما أصبح Getterley محطة بريدية لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا قبل 30 عامًا ، توقع معلمه ، ديفيد بريتشارد ، أستاذ الفيزياء في سيسيل وإيدا جرين ، أن التدوين المتعدد من شأنه أن يقمع تشتت الضوء بواسطة ذرات معينة تعرف باسم الفرميونات.
وجهة نظره هي أنه عند التحدث بإسهاب ، تتجمد الذرات ، وعندما يتم الضغط عليها بإحكام ، فإنها تتصرف مثل الإلكترونات في غلاف طاقة معبأ بالذرات ، ولا تترك مجالًا لتغيير سرعتها أو موضعها. إذا دخلت فوتونات الضوء ، فلا يمكن أن تتشتت.
يقوم طالب الدراسات العليا Yu-Kun Lu بضبط البصريات لملاحظة تشتت الضوء من السحب الذرية شديدة الانحدار. الشكر: بإذن من الباحثين
يشرح كيترلي: “لا يمكن للذرة أن تشتت الفوتون إلا إذا كانت قادرة على امتصاص قوة ركلتها بتحريكها إلى كرسي آخر” ، مشيرةً إلى تشبيه الجلوس على المنصة. إذا كانت جميع الكراسي الأخرى مشغولة ، فلن يكون لديها القدرة على امتصاص القدم وتشتيت الفوتون. لذلك ، الذرات شفافة.
ويضيف كيترل: “لم يتم ملاحظة هذه الظاهرة من قبل لأن الناس لم يتمكنوا من تكوين غيوم كثيفة وباردة بما يكفي”.
“السيطرة على العالم النووي”
في السنوات الأخيرة ، طور الفيزيائيون ، بمن فيهم أولئك في مجموعة Ketterlin ، تقنيات مغناطيسية وقائمة على الليزر لجلب الذرات إلى درجات حرارة فائقة الانحدار. ويقول إن العامل المسيطر هو الكثافة.
يقول كيترل: “إذا لم تكن الكثافة كافية ، فإن الذرة تبعثر الضوء بالقفز على عدد قليل من الكراسي حتى تجد بعض المساحة”. كانت تلك هي العقبة ».
في دراستهم الجديدة ، قام هو وزملاؤه أولاً بتجميد سحابة من الفرميونات باستخدام تقنيات مطورة مسبقًا – في هذه الحالة ، نظير خاص لذرة الليثيوم تتكون من ثلاثة إلكترونات وثلاثة بروتونات وثلاثة نيوترونات. قاموا بتجميد سحابة من ذرات الليثيوم تصل إلى 20 ميكروكلفين ، أي 1/100000 في درجة حرارة المجرة.
يوضح لو “ثم استخدمنا ليزرًا شديد التركيز لضغط ذرات المسولت الفائقة لتسجيل الكثافة ، والتي وصلت إلى كوادريليون ذرة لكل سنتيمتر مكعب”.
قام الباحثون بعد ذلك بإضاءة شعاع ليزر آخر في السحابة ، وقاموا بقياسها بعناية حتى لا تقوم فوتوناتها بتسخين الذرات شديدة الانضغاط أو تغيير كثافتها مع مرور الضوء من خلالها. أخيرًا ، استخدموا عدسة وكاميرا لالتقاط وحساب الفوتونات المتناثرة.
تقول مارغريت: “لقد عدنا في الواقع بضع مئات من الفوتونات ، وهو أمر مذهل جدًا”. “الفوتونات هي كمية صغيرة من الضوء ، لكن أجهزتنا حساسة للغاية ويمكنها رؤيتها كفقاعات ضوئية صغيرة في الكاميرا.”
في درجات حرارة منخفضة تدريجيًا وكثافة أعلى ، تشتت الذرات ضوءًا أقل فأقل ، كما تنبأت نظرية بريتشارد. عند تبريدها ، عند حوالي 20 ميكرو كلفن ، كانت الذرات أضعف بنسبة 38 بالمائة ، مما يعني أنها تشتت 38 بالمائة من الضوء أقل من الذرات الأكثر برودة والأقل كثافة.
تقول مارغريت: “لهذا النظام من السحب شديدة البرودة والكثيفة تأثيرات أخرى يمكن أن تخدعنا”. “لذا ، للحصول على قياس واضح ، أمضينا بعض الأشهر الجيدة في فصل هذه التأثيرات.”
لاحظ الفريق الآن أن التدوين المتعدد يؤثر على قدرة تشتت الضوء للذرة ، ويمكن استخدام هذه المعرفة الأساسية لإنشاء كائنات ذات تشتت ضوئي مكبوت ، على سبيل المثال في أجهزة الكمبيوتر الكمومية لحماية البيانات.
يقول: “مثل أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، فإن تشتت الضوء يمثل مشكلة عندما نتحكم في العالم الكمي ، وهذا يعني أن المعلومات تتسرب من جهاز الكمبيوتر الكمي الخاص بك”. “إنها طريقة لقمع تشتت الضوء ، ونساهم في الموضوع المشترك للسيطرة على العالم النووي.”
ملاحظة: يائير مارغاليت ، يو-كون لو ، فوركان أجري توب ، وولفغانغ كيتيرل ، 18 نوفمبر 2021 ، “وعاء يمنع تشتت الضوء في الفرميونات المتدهورة” علم.
DOI: 10.1126 / science.abi6153
تم تمويل البحث من قبل مؤسسة العلوم الوطنية ووزارة الدفاع. نُشر العمل المقابل لفرق جامعة كولورادو وجامعة أوتاجو في نفس المجلة علم.
“متعصب للموسيقى. مستكشف متواضع جدا. محلل. متعصب للسفر. مدرس تلفزيوني متطرف. لاعب.”