منوعات

يقوم الفيزيائيون بترتيب الذرات بشكل قريب جدًا من بعضها البعض

يعد القرب ضروريًا للعديد من الظواهر الكمومية، لأن التفاعلات بين الذرات تكون أقوى عندما تكون الجسيمات قريبة من بعضها البعض. في العديد من أجهزة المحاكاة الكمومية، يقوم العلماء بترتيب الذرات في أقرب مكان ممكن من بعضها البعض لاستكشاف الحالات الغريبة للمادة وبناء مواد كمومية جديدة.

وللقيام بذلك، يقومون عادةً بتبريد الذرات إلى حالة توقف تام، ثم يستخدمون ضوء الليزر لوضع الجسيمات على مسافة قريبة تصل إلى 500 نانومتر، وهو الحد الذي يحدده الطول الموجي للضوء. الآن، طور فيزيائيون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تقنية تسمح لهم بترتيب الذرات بشكل أقرب بكثير، حتى 50 نانومتر فقط. للتذكير، يبلغ عرض خلية الدم الحمراء حوالي 1000 نانومتر.

وقد أظهر الفيزيائيون النهج الجديد في تجاربهم على الديسبروسيوم، وهي الذرة الأكثر مغناطيسية في الطبيعة. واستخدموا النهج الجديد لمعالجة طبقتين من ذرات الديسبروسيوم ووضعوا الطبقات على مسافة 50 نانومترًا. عند هذا القرب الشديد، كانت التفاعلات المغناطيسية أقوى بـ 1000 مرة مما لو تم فصل الطبقات بمقدار 500 نانومتر.

بالإضافة إلى ذلك، تمكن العلماء من قياس تأثيرين جديدين ناجمين عن قرب الذرات. تسببت قوتها المغناطيسية المتزايدة في “التحول الحراري”، أو نقل الحرارة من طبقة إلى أخرى، بالإضافة إلى التذبذبات المتزامنة بين الطبقات. تلاشت هذه التأثيرات مع تباعد الطبقات عن بعضها البعض.

يقول وولفجانج كيترلي، أستاذ الفيزياء بجامعة جون دي ماك آرثر في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “لقد انتقلنا من وضع الذرات على مسافة 500 نانومتر إلى مسافة 50 نانومتر، ويمكنك فعل الكثير بهذا”. “عند 50 نانومتر، يكون سلوك الذرات مختلفًا تمامًا لدرجة أننا ندخل حقًا في نظام جديد هنا.”

يقول كيترلي وزملاؤه إن النهج الجديد يمكن تطبيقه على العديد من الذرات الأخرى لدراسة الظواهر الكمومية. ومن جانبهم، تخطط المجموعة لاستخدام هذه التقنية لمعالجة الذرات في تكوينات يمكن أن تولد أول بوابة كمومية مغناطيسية بحتة، وهي عنصر أساسي لنوع جديد من الكمبيوتر الكمي.

نشر الفريق نتائجهم اليوم في المجلة علم. من بين المؤلفين المشاركين في الدراسة المؤلف الرئيسي وطالب الدراسات العليا في الفيزياء لي دو، بالإضافة إلى بيير بارال ومايكل كانتارا وجوليوس دي هوند ويو كون لو – وجميعهم أعضاء في مركز MIT-Harvard للذرات فائقة البرودة، قسم الفيزياء. . ومختبر أبحاث الإلكترونيات بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

القمم والوديان

للتعامل مع الذرات وتنظيمها، يقوم الفيزيائيون عادةً بتبريد سحابة من الذرات أولاً إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، ثم يستخدمون نظامًا من أشعة الليزر لتجميع الذرات في فخ بصري.

ضوء الليزر عبارة عن موجة كهرومغناطيسية ذات طول موجي محدد (المسافة بين الحد الأقصى للمجال الكهربائي) وتردد. يحدد الطول الموجي أصغر نمط يمكن أن يتشكل فيه الضوء إلى 500 نانومتر، وهو ما يسمى حد الدقة البصرية. وبما أن الذرات تنجذب إلى ضوء الليزر بترددات معينة، فسيتم وضع الذرات عند نقاط أقصى كثافة لليزر. لهذا السبب، فإن التقنيات الحالية محدودة في مدى قربها من وضع الجسيمات الذرية ولا يمكن استخدامها لاستكشاف الظواهر التي تحدث على مسافات أقصر بكثير.

يقول كيترلي: “تتوقف التقنيات التقليدية عند 500 نانومتر، ولا يقتصر ذلك على الذرات بل على الطول الموجي للضوء”. “لقد وجدنا الآن خدعة جديدة بالضوء تسمح لنا بالتغلب على هذا الحد.”

يبدأ النهج الجديد للفريق، مثل التقنيات الحالية، بتبريد سحابة من الذرات – في هذه الحالة، إلى حوالي 1 ميكروكلفن، أي مجرد شعرة فوق الصفر المطلق – وعند هذه النقطة تتوقف الذرات تقريبًا. يمكن للفيزيائيين بعد ذلك استخدام الليزر لتحريك الجسيمات المجمدة إلى التكوينات المطلوبة.

بعد ذلك، عمل دو ومعاونوه باستخدام شعاعي ليزر، لكل منهما تردد أو لون مختلف واستقطاب دائري أو اتجاه المجال الكهربائي لليزر. عندما يمر الشعاعان عبر سحابة من الذرات شديدة البرودة، يمكن للذرات توجيه دورانها في اتجاهين متعاكسين، متتبعة استقطاب أي من الليزرين. والنتيجة هي أن الحزم تنتج مجموعتين من نفس الذرات، ولكن مع دوران متضاد.

شكل كل شعاع ليزر موجة دائمة، وهو نمط دوري لشدة المجال الكهربائي مع فترة مكانية تبلغ 500 نانومتر. وبسبب استقطاباتها المختلفة، فإن كل موجة واقفة تجذب وتجمع واحدة من مجموعتين من الذرات، اعتمادًا على دورانها. يمكن تكديس أجهزة الليزر وضبطها بحيث تكون المسافة بين قمتيها صغيرة تصل إلى 50 نانومتر، مما يعني أن الذرات التي تنجذب نحو قمم كل ليزر سيتم فصلها بنفس الـ 50 نانومتر.

ولكن لكي يحدث هذا، يجب أن تكون أشعة الليزر مستقرة للغاية ولا تتأثر بأي ضوضاء خارجية، مثل الاهتزاز أو حتى التنفس أثناء التجربة. أدرك الفريق أنه يمكنهم تثبيت شعاعي الليزر من خلال توجيههما عبر ألياف ضوئية تعمل على تثبيت أشعة الضوء مع بعضها البعض.

يقول دو: “إن فكرة إرسال الشعاعين عبر الألياف الضوئية تعني أن الآلة بأكملها يمكن أن تهتز بعنف، لكن شعاعي الليزر ظلا مستقرين تمامًا بالنسبة لبعضهما البعض”.

القوى المغناطيسية قصيرة المدى

لاختبار تقنيتهم ​​الجديدة، استخدم الفريق ذرات الديسبروسيوم، وهو معدن أرضي نادر يعد أحد أقوى العناصر المغناطيسية في الجدول الدوري، خاصة في درجات الحرارة شديدة البرودة. ومع ذلك، على مقياس الذرات، تكون التفاعلات المغناطيسية للعنصر ضعيفة نسبيًا حتى على مسافات 500 نانومتر. كما هو الحال مع مغناطيس الثلاجة الشائع، يزداد الجذب المغناطيسي بين الذرات مع التقارب، ويشتبه العلماء في أنه إذا تمكنت تقنيتهم ​​الجديدة من إبعاد ذرات الديسبروسيوم إلى مسافة قريبة تصل إلى 50 نانومتر، فيمكنهم ملاحظة ظهور تفاعلات ضعيفة بين الذرات المغناطيسية.

يقول كيترلي: “من الممكن أن نحصل فجأة على تفاعلات مغناطيسية، والتي كانت تكاد لا تذكر، ولكنها الآن قوية جدًا”.

طبق الفريق تقنيتهم ​​على الديسبروسيوم، حيث قاموا أولاً بتبريد الذرات ثم تمرير ليزرين لتقسيم الذرات إلى مجموعتين أو طبقتين. ثم وجهوا أشعة الليزر من خلال الألياف الضوئية لتثبيتها واكتشفوا أن طبقتين من ذرات الديسبروسيوم انجذبتا نحو قمم الليزر الخاصة بهما، مما أدى في الواقع إلى فصل طبقات الذرات بمقدار 50 نانومتر – وهي أقرب مسافة يمكن لأي مسافة فائقة أن تفصلها. الليزر البارد يمكن أن يصل. تمكنت التجربة الذرية من تنفيذها.

وفي هذا القرب الشديد للغاية، تم تعزيز التفاعلات المغناطيسية الطبيعية للذرات بشكل كبير وأصبحت أقوى بـ 1000 مرة مما لو كانت على بعد 500 نانومتر. لاحظ الفريق أن هذه التفاعلات أدت إلى ظاهرتين كميتين جديدتين: التذبذب الجماعي، حيث تتسبب الاهتزازات من إحدى الطبقات في اهتزاز الطبقة الأخرى بشكل متزامن؛ والتحمير، حيث تنقل إحدى الطبقات الحرارة إلى الطبقة الأخرى، فقط من خلال التقلبات المغناطيسية للذرات.

يقول دو: “حتى الآن، لا يمكن تبادل الحرارة بين الذرات إلا عندما تكون في نفس المساحة المادية ويمكن أن تتصادم”. “لقد رأينا الآن طبقات ذرية، مفصولة بالفراغ، وهي تتبادل الحرارة عبر المجالات المغناطيسية المتقلبة.”

تقدم نتائج الفريق تقنية جديدة يمكن استخدامها لوضع العديد من أنواع الذرات على مسافة قريبة. كما أظهروا أيضًا أن الذرات، إذا تم وضعها بالقرب من بعضها البعض بدرجة كافية، يمكن أن تظهر ظواهر كمومية مثيرة للاهتمام، والتي يمكن استغلالها لبناء مواد كمومية جديدة وأنظمة ذرية يمكن التحكم فيها مغناطيسيًا لأجهزة الكمبيوتر الكمومية.

يقول كيتيرلي: “إننا نجلب بالفعل أساليب فائقة الدقة إلى هذا المجال، وستصبح أداة عامة لإجراء عمليات المحاكاة الكمومية”. “هناك العديد من الاختلافات المحتملة التي نعمل عليها.”

تم تمويل هذا البحث جزئيًا من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم ووزارة الدفاع.

..

Source link

orcalimaa

المصدر الرئيسي للأخبار والمعلومات الصحية والطبية الموثوقة وفي الوقت المناسب . توفير معلومات صحية ذات مصداقية ومجتمع داعم وخدمات تعليمية من خلال مزج الخبرة الحائزة على جوائز في المحتوى والخدمات المجتمعية وتعليقات الخبراء والمراجعة الطبية .

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

زر الذهاب إلى الأعلى