چگونه اتم‌های فوق سرد و فوق چگال نامرئی می‌شوند؟
تحقیقات جدید فیزیکدانان نشان می دهد که اگر اتم ها بیش از حد سرد و فشرده شوند توانایی شان را در پراکندگی نور از دست خواهند داد.
به گزارش باشگاه خبرنگاران جوان به نقل از news.mit.edu، مطالعات جدید نشان می‌دهد که با سرد و فشرده شدن زیاد، توانایی اتم‌ها در پراکندگی نور سرکوب می‌شود. الکترون‌های یک اتم در پوسته‌های انرژی چیده شده‌اند. هر الکترون یک صندلی را اشغال می‌کند و اگر همه صندلی‌ها پر شده باشد، نمی‌تواند به سطح پایین‌تری سقوط کند. این ویژگی اساسی فیزیک اتمی به عنوان اصل طرد پائولی شناخته می‌شود و ساختار پوسته اتم ها، تنوع جدول تناوبی عناصر و پایداری جهان مادی را توضیح می‌دهد. اکنون، فیزیکدانان MIT اصل طرد پائولی را به شکلی کاملاً جدید مشاهده کرده‌اند؛ آنها دریافته‌اند که یک ابر اتم می‌تواند نحوه پراکندگی نور را سرکوب کند.
تاثیر اثر پائولی بر اتم ها
به طور معمول، هنگامی که فوتون‌های نور به ابری از اتم‌ها نفوذ می‌کنند، می‌توانند مانند توپ‌های بیلیارد به جهات مختلف حرکت و نور را به هر جهت پرتاب کنند که در نتیجه این کار ابر قابل مشاهده می‌شود. با این حال، تیم MIT مشاهده کردند که با سرد و فشرده کردن اتم‌ها اثر پائولی شروع می‌شود و ذرات فضای کمتری برای پراکندگی نور دارند، ولی در عوض فوتون‌ها بدون پراکنده شدن از میان آنها عبور می‌کنند.
محققان این اثر را در ابری از اتم‌های لیتیوم مشاهده کردند که با ادامه روند سرد و متراکم شدن، اتم‌ها نور کمتری را پراکنده کردند و به تدریج تیره‌تر شدند. فیزیکدانان گمان می‌کنند که اگر بتوانند شرایط را به دمای صفر مطلق برسانند، ابر کاملاً نامرئی می‌شود. پروفسور جان دی آرتور از MIT می‌گوید:" اصل پائولی به طور کلی ثابت شده و آنچه ما مشاهده کرده‌ایم یک شکل بسیار خاص و ساده از آن است که اتم را از کاری که همه اتم‌ها به طور طبیعی انجام می‌دهند، یعنی پراکندگی نور باز می‌دارد. این اولین بار است که این اثر به شکل واضح مشاهده می‌شود."
برای پایین آوردن دمای اتم‌ها چه ابزاری استفاده شده است؟
اتم تنها زمانی می‌تواند فوتون را پراکنده کند که بتواند نیروی ضربه‌اش را با حرکت به صندلی دیگری جذب کند. با مسدود شدن همه صندلی‌ها دیگر توانایی جذب ضربه و پراکنده کردن فوتون وجود ندارد، بنابراین اتم‌ها شفاف می‌شوند. فیزیکدانان در سال‌های اخیر تکنیک‌های مغناطیسی و مبتنی بر لیزر را برای پایین آوردن اتم‌ها به دمای بسیار سرد توسعه داده اند.
اگر چگالی به اندازه کافی زیاد نباشد، یک اتم همچنان می‌تواند با پریدن از روی چند صندلی نور را پراکنده کند. کترل و همکارانش از تکنیک‌های توسعه یافته استفاده کردند تا ابری از فرمیون‌ها را منجمد کنند. آنها ابری از اتم‌های لیتیوم را تا ۲۰ میکروکلوین منجمد کردند که حدود ۱/۱ درجه دمای فضای بین ستاره‌ای است. سپس از یک لیزر متمرکز برای فشرده کردن اتم‌های فوق‌سرد برای ثبت چگالی استفاده کردند که به حدود یک کوادریلیون اتم در سانتی‌متر مکعب می‌رسید.
در نهایت، آنها از یک لنز و دوربین برای گرفتن و شمارش فوتون‌هایی که موفق به پراکندگی شدند، استفاده کردند. در دما‌های به تدریج سردتر و چگالی بالاتر، اتم‌ها نور کمتری را پراکنده می‌کردند، درست همانطور که نظریه پریچارد پیش بینی می‌کرد. در سردترین حالت خود، در حدود ۲۰ میکروکلوین، اتم‌ها ۳۸ درصد کم نورتر بودند، به این معنی که اتم‌ها ۳۸ درصد نور کمتری نسبت به اتم‌های سرد با چگال کمتر پراکنده کردند.
دانشمندان با مشاهده چنین پدیده‌ای به این نتیجه رسیده اند که این دانش بنیادی ممکن است برای توسعه موادی با پراکندگی نور سرکوب‌شده، به‌عنوان مثال برای حفظ داده‌ها در رایانه‌های کوانتومی استفاده شود. در کامپیوتر‌های کوانتومی، پراکندگی نور یک مشکل است و شاید اطلاعات از کامپیوتر کوانتومی شما نشت کند. این یکی از راه‌های سرکوب پراکندگی نور است و این روش به موضوع کلی کنترل جهان اتمی کمک می‌کند.
بیشتر بخوانید
انتهای پیام/
