چگونه اولین "گردبادهای کوانتومی" جهان به وجود آمدند

این «گردبادهای کوانتومی» که توسط محققان کوانتومی MIT و هاروارد به وجود آمده‌اند، آخرین نمایش‌های مکانیک کوانتومی هستند.

گردبادهای کوانتومی از ابرهای کوچکی از اتم های سدیم ساخته شده اند که در دمای کسری درجه، بالاتر از صفر مطلق می چرخند.
یک روش ثابت برای انجماد اتم‌ها در این اعماق فوق‌سرد وجود دارد. این کار با به دام انداختن اتم ها که اغلب فلزات قلیایی است، در یک قفس مغناطیسی و سپس پرتاب لیزر به سمت آن ها شروع می شود. شاید استفاده از لیزر به عنوان روشی برای خنک کردن اتم ها عجیب به نظر برسد، اما آنها پرتوی با یک طول موج نور (در این مورد زرد، برای مطابقت با رنگ بخار سدیم) تولید می کنند. هنگامی که آنها به خوبی تنظیم شوند، می توانند اتم ها را تا جایی کاهش دهند که دیگر گرما تولید نکنند.
چیزی که ممکن است در پایان باقی بماند، یک تراکم بوز-انیشتین است، یک حالت باطنی دوست‌داشتنی از ماده که در آن اتم‌های متعدد به‌عنوان یک واحد عمل می‌کنند و شبیه به انواع روش‌های کوانتومی غیرقابل تصور میشوند.
میعانات(از تبدیل گاز به مایع) بوز-انیشتین ممکن است عجیب به نظر برسند، اما این روش عجیب و غریبی است، که فیزیکدانان به مقابله با آن عادت کرده اند. آنها برای اولین بار در دهه 1920 کشف شدند و دانشمندان در سال 1995 موفق به ایجاد یکی از آنها در آزمایشگاه شدند. این تلاش ها باعث شد دانشمندان جایزه نوبل فیزیک را در سال 2001 دریافت کنند.
از آن زمان، دنیای فیزیک پر از تلاش‌هایی برای سوق دادن میعانات بوز-انیشتین (حالت ماده ای است که در ذرات معینی در دمای نزدیک به صفر مطلق اتفاق می افتد ) به ارتفاعات جدید (یا پایین‌ترین سطح‌های جدید، همانطور که بودند) بوده است. به عنوان مثال، فیزیکدانان برای مدتی به این فکر می‌کردند که آیا می‌توانند اتم‌هایی را که در این حالت ماده منجمد می‌شوند، به چرخش درآورند.
محققان علاقه مند به انجام این کار بودند، زیرا از چیزی به نام مایع های کوانتومی پیروی می کردند. به‌طور خلاصه، در شرایط کوانتومی معین و در میدان مغناطیسی، ابری از الکترون‌ها که معمولاً یکدیگر را از خود دور می‌کنند، شروع به تقلید از خواص یکدیگر کرده، و این امر باعث میشود که آنها مانند مولکول های آب در یک سیال آزادانه جریان داشته باشند.
هرچند رصد الکترون‌ها دشوار است، اما فیزیکدانان فکر می‌کنند که چرخش میعانات بوز-انیشتین در گرداب می‌تواند رفتار اتم‌ها را به همان شیوه زیر نظر بگیرد و تقلید کند. این سناریو جذاب به نظر میرسد، زیرا اتم‌ها بسیار بزرگ‌تر از الکترون‌ها هستند.
این جدیدترین گروه تحقیقاتی تنها گروهی نیست که سعی کرده است گردابی را به راه بیندازد .
پیتر شاوس، فیزیکدان دانشگاه ویرجینیا، / می‌گوید: «در اصل کنترل کردن چرخش بدون شکستن میعانات بوز-انیشتین دشوار است. چرخاندن آن به نحوی آسان است، اما سخت است که آن را به گونه ای بچرخانید که گرمایش ایجاد نکنند!»
گروه هاروارد-MIT با مشاجره کردن یک میلیون اتم سدیم، سرد کردن آنها تا 100 میلیاردم کلوین بالای صفر مطلق، و به هم پیوستن آنها در داخل آهنرباهای الکتریکی قدرتمند، عکس خود را به تصویر کشید. سپس، آنها میعانات را به اطراف چرخاندند، به این امید که بتوانند یک سیال کوانتومی در حال حرکت را ببینند.
محققان تا حدی این روش را ادامه دادند، تا اتم‌ها ساختاری نازک و سوزنی مانند را تشکیل بدهند، که ویژگی‌های سیالی را که آن‌ها در جستجوی آن بودند، داشت باشند.
اما آنها می‌دانستند که می‌توانند بیشتر از این پیش بروند. آنها تصمیم گرفتند که به چرخش آن سوزن ادامه دهند تا ببینند چه اتفاقی می افتد. و آن وقت بود، که متوجه چیز خارق العاده ای شدند، سوزن شروع به موج زدن کرد. در ابتدا، شروع به پیچیدن خود به یک پیچ چوب پنبه کرد. سپس، فرها از هم جدا شدند و سوزن را به شکل حباب‌های کوانتومی کوچکی که هر کدام شروع به چرخش کردند، شکست. بنابراین، گردبادهای کوانتومی تشکیل شد.

محققان این موضوع را با نظریه آشوب - Chaos Theory (شاخه ای از ریاضیات است که بر روی مطالعه سامانه‌های پویای آشوبناک متمرکز است، سامانه‌هایی که حالات بی‌نظم و بدون ترتیبش ظاهراً تصادفی بوده اما در عمل تحت حاکمیت الگوها و قوانین قطعی پنهانیست که به شدت نسبت به شرایط اولیه حساسند )مقایسه می کنند. ایجاد این گردبادها شبیه به مثال معروف بال زدن پروانه و ایجاد طوفان در آن سوی سیاره است، فقط این که این روند در مقیاس کوانتومی انجام می شود.
گردبادهای کوانتومی هر کدام دارای 10 اتم بودند. اما برخی از فیزیکدانان فکر می‌کنند که می‌توان از این هم فراتر رفت به نحوی رسیدن به یک چگالش بوز-انیشتین با تنها یک اتم.
انجام این کار واقعا به فیزیکدانان کمک می کند تا برخی از معادلات محرمانه مکانیک کوانتومی را که در دنیای واقعی اجرا می شوند ، تماشا کنند.
در حالی که دانشمندان به اصلاح فرآیند خود برای ساخت این گرداب‌ها و سایر اشکال ماده فوق‌سرد ادامه می‌دهند، ممکن است ساخته‌های آنها در فناوری‌هایی مانند حسگرها و سنسورها به کار گرفته شود.

های فن تک از شما دعوت می کند نظرات خود را در مورد این مقاله به اشتراک بگذارید