فیزیکدانان MIT رکورد نزدیکی اتم‌ها را شکستند

به گزارش ایسنا، در قلمرو مکانیک کوانتومی، نزدیکی بیشترین اهمیت را دارد. هر چه اتم ها به هم نزدیکتر باشند، برهمکنش های آنها قوی تر می شود و بسیاری از پدیده های عجیب را ممکن می سازد.

این نزدیکی برای شبیه‌سازهای کوانتومی، ابزارهای قدرتمندی که دانشمندان برای کشف مواد و حالت‌های جدید ماده استفاده می‌کنند، بسیار مهم است. به طور سنتی، این شبیه‌سازها اتم‌ها را در فاصله حداقل 500 نانومتر از هم به دام می‌اندازند، حدی که با طول موج نور مورد استفاده برای دستکاری تعیین می‌شود.

اکنون محققان مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) بر این مانع غلبه کرده‌اند و روشی نوآورانه توسعه داده‌اند که اتم‌ها را با فاصله‌ی 50 نانومتری از هم، 10 برابر به هم نزدیک‌تر می‌کند.

برای درک این فاصله باید گفت که عرض گلبول های قرمز تقریباً 1000 نانومتر است که بر این نزدیکی باورنکردنی به دست آمده تأکید دارد.

شکستن سد نور

فیزیکدانان معمولاً از یک رویکرد دو طرفه برای چیدمان اتم‌ها استفاده می‌کنند که شامل دماهای بسیار پایین و لیزرهایی با موقعیت استراتژیک است. لیزرها با طول موج های خاص خود کوچکترین الگوی قابل دستکاری را دیکته می کنند که به طور سنتی به 500 نانومتر محدود می شود که حد وضوح نوری است. از آنجایی که اتم ها به فرکانس های نور خاصی جذب می شوند، موقعیت آنها به پیک های شدت لیزر بستگی دارد. این محدودیت مانع از تشخیص پدیده هایی شد که به نزدیکی اتمی بسیار نزدیک تر نیاز داشتند.

ولفگانگ کترل، محقق ارشد این پروژه توضیح می‌دهد که تکنیک‌های کنونی توسط طول موج نور محدود می‌شوند، نه خود اتم‌ها. ما یک تکنیک جدید دستکاری نور را کشف کردیم که بر این محدودیت غلبه می کند.

رقص نور و چرخش

رویکرد محققان روش‌های موجود را با سرد کردن ابری از اتم‌ها، در این مورد دیسپروزیم، که به‌خاطر خواص مغناطیسی قدرتمندش شناخته می‌شود، تا تقریباً صفر مطلق نشان می‌دهد. این حالت تقریبا ثابت امکان دستکاری دقیق لیزر را فراهم می کند.

سپس محققان از دو لیزر استفاده کردند که هر کدام دارای فرکانس‌های مختلف (رنگ‌ها) و قطبش دوار (جهت میدان الکتریکی) بودند. هنگامی که این پرتوها با ابر اتمی فوق سرد شده برهم کنش می‌کنند، اتم‌ها می‌توانند اسپین‌های خود را در جهت مخالف تراز کنند و قطبش لیزرها را منعکس کنند. این اساساً دو گروه از اتم های یکسان را ایجاد می کند که در جهت چرخش متفاوت هستند.

هر لیزر یک موج ایستاده را تشکیل می دهد که الگویی از شدت میدان الکتریکی متغیر در فاصله 500 نانومتر است. این امواج به دلیل قطبش های متفاوتشان، گروه های اتمی خاصی را بر اساس اسپین خود جذب و به هم متصل می کنند.

با همپوشانی و تنظیم دقیق لیزرها، محققان توانستند به فاصله 50 نانومتری بین شدت های اوج دست یابند و به طور موثر گروه های اتمی را با همان فاصله از هم جدا کنند.

با این حال، این دستکاری ظریف مستلزم پایداری شدید لیزر برای مصون ماندن از کوچکترین اختلالات محیطی است. محققان با هدایت این دو لیزر از طریق یک فیبر نوری، که اساساً آنها را با یکدیگر هماهنگ می کنند، هوشمندانه بر این چالش غلبه کردند.

لی دو، نویسنده ارشد مقاله توضیح می دهد که فیبر تضمین می کند که دو پرتو لیزر نسبت به یکدیگر کاملاً پایدار می مانند، حتی در حضور ارتعاشات خارجی قابل توجه.

کشف قدرت مجاورت

این تیم برای آزمایش اولیه خود از اتم های دیسپروزیم، فلز کمیاب خاکی با خواص مغناطیسی استثنایی، به ویژه در دماهای بسیار پایین، استفاده کردند. با این حال، در سطح اتمی، این فعل و انفعالات مغناطیسی حتی در طیف 500 نانومتر ضعیف هستند. هر چه این اتم ها مانند آهنرباهای معمولی به یکدیگر نزدیکتر باشند، جاذبه بین آنها قوی تر است.

محققان این فرضیه را مطرح کردند که تکنیک آنها با قرار دادن اتم های دیسپروزیم در فاصله 50 نانومتری از هم، می تواند فعل و انفعالات غیرقابل کشف را آشکار کند.

تسترل می گوید: «این فعل و انفعالات مغناطیسی، که قبلا ناچیز بودند، در چنین فواصل نزدیک به طرز باورنکردنی قوی می شوند.

این آزمایش ظن محققان را تایید کرد. با ابرسرد کردن اتم‌های دیسپروزیم، تقسیم آنها به لایه‌های مبتنی بر اسپین با لیزر، و تثبیت لیزرها با فیبر نوری، آنها با موفقیت به آرایش نزدیک به 50 نانومتر دست یافتند، نزدیک‌ترین آرایشی که تاکنون در آزمایش‌ها با اتم‌های فوق سرد به دست آمده است.

این نزدیکی چشمگیر برهمکنش های مغناطیسی طبیعی بین اتم ها را تا حد زیادی تقویت کرد و آنها را هزار بار قوی تر از فاصله 500 نانومتری کرد.

این تیم دو پدیده کوانتومی شگفت انگیز را مشاهده کردند. یکی نوسان جمعی است که در آن ارتعاشات یک لایه باعث ارتعاش همزمان در لایه دیگر می شود و دیگری گرمایش است که در آن انتقال حرارت بین لایه ها تنها از طریق میدان های مغناطیسی نوسانی داخل اتم ها انجام می شود.

لی دو توضیح می دهد: «پیش از این، تبادل حرارت بین اتم ها نیاز به تماس فیزیکی مستقیم داشت. در اینجا لایه‌های اتمی را دیدیم که توسط خلاء جدا شده‌اند و تنها از طریق نوسانات مغناطیسی گرما را مبادله می‌کنند.

طلوع جدیدی برای تحقیقات کوانتومی

این تحقیق یک تکنیک انقلابی را برای قرار دادن انواع مختلف اتم ها در مجاورت نزدیک نشان داد. همچنین پدیده‌های کوانتومی شگفت‌انگیزی را که زمانی رخ می‌دهند که اتم‌ها به‌طور باورنکردنی به هم نزدیک می‌شوند، روشن می‌کند.

این دانش راه را برای توسعه مواد کوانتومی جدید و به طور بالقوه برای سیستم های اتمی مغناطیسی در رایانه های کوانتومی هموار می کند.

Cetterll در پایان گفت: ما اساساً روش‌های با وضوح فوق‌العاده را در زمینه شبیه‌سازی کوانتومی معرفی می‌کنیم. این روش در را به روی تعداد زیادی از احتمالات باز می کند و ما به طور فعال در حال بررسی کاربردهای مختلف این تکنیک هستیم.

انتهای پیام