سردترین آزمایشگاه در نیویورک دارای ویژگی کوانتومی جدیدی است

آزمایشگاه ویل، با پشتیبانی همکار نظری تیجس کارمان در دانشگاه رادبود در هلند، با موفقیت یک حالت کوانتومی منحصر به فرد ماده به نام میعان بوز اینشتین (BEC) را از مولکول‌ها ایجاد کرده است.

BEC آنها که فقط تا پنج نانوکلوین یا در حدود -459.66 درجه فارنهایت سرد شده و برای دو ثانیه بسیار طولانی پایدار است، از مولکول های سدیم-سزیم ساخته شده است. مانند مولکول های آب، این مولکول ها قطبی هستند، به این معنی که حامل بار مثبت و منفی هستند. ویل خاطرنشان کرد: توزیع نامتعادل بار الکتریکی برهمکنش های دوربرد را تسهیل می کند که جالب ترین فیزیک را ایجاد می کند.

تحقیقاتی که آزمایشگاه Will با BEC های مولکولی خود مشتاق دنبال کردن آن است، شامل کاوش در تعدادی از پدیده های کوانتومی مختلف، از جمله انواع جدید ابر سیالیت، حالتی از ماده است که بدون تجربه اصطکاک جریان دارد. آنها همچنین امیدوارند که BEC های خود را به شبیه سازهایی تبدیل کنند که بتوانند خواص کوانتومی معمایی مواد پیچیده تر، مانند کریستال های جامد را بازسازی کنند.

او می‌گوید: «تراکم‌های مولکولی بوز-انیشتین زمینه‌های کاملاً جدیدی از تحقیقات را باز می‌کنند، از درک فیزیک واقعاً بنیادی تا پیشبرد شبیه‌سازی‌های کوانتومی قدرتمند». این یک دستاورد هیجان انگیز است، اما واقعاً تازه شروع است.»

این رویایی است که برای آزمایشگاه ویل به حقیقت پیوسته است و دهه‌ها برای جامعه تحقیقاتی بزرگ‌تر فوق سرد ساخته شده است.

برای سردتر شدن، مایکروویو اضافه کنید

مایکروویوها شکلی از تابش الکترومغناطیسی با سابقه طولانی در کلمبیا هستند. در دهه 1930، ایسیدور ایزاک ربی، فیزیکدان، که جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد، کارهای پیشگامانه ای روی امواج مایکروویو انجام داد که منجر به توسعه سیستم های راداری هوابرد شد. ویل می گوید: «رابی یکی از اولین کسانی بود که حالات کوانتومی مولکول ها را کنترل کرد و پیشگام تحقیقات مایکروویو بود. کار ما بر اساس آن سنت 90 ساله دنبال می‌شود.»

در حالی که ممکن است با نقش مایکروویو در گرم کردن غذای خود آشنا باشید، به نظر می رسد که آنها می توانند خنک شدن را نیز تسهیل کنند. تک تک مولکول ها تمایل به برخورد با یکدیگر دارند و در نتیجه کمپلکس های بزرگتری را تشکیل می دهند که از نمونه ها ناپدید می شوند. مایکروویوها می توانند سپرهای کوچکی در اطراف هر مولکول ایجاد کنند که از برخورد آنها جلوگیری می کند، ایده ای که کارمان، همکار آنها در هلند ارائه کرده است. نیکولو بیگاگلی، نویسنده توضیح داد، با محافظت از مولکول‌ها در برابر برخوردهای با تلفات، فقط داغ‌ترین‌ها را می‌توان ترجیحاً از نمونه حذف کرد – همان اصل فیزیک که وقتی فنجان قهوه شما را در بالای آن دمید، خنک می‌کند. مولکول هایی که باقی می مانند خنک تر خواهند بود و دمای کلی نمونه کاهش می یابد.

بیگاگلی که در بهار امسال با مدرک دکترای فیزیک فارغ التحصیل شد و یکی از اعضای مؤسس آزمایشگاه بود، گفت: «این تعطیلی فوق العاده برای من بود. ما از عدم راه‌اندازی آزمایشگاه به این نتایج خارق‌العاده رسیدیم.»

میدان مایکروویو دوم علاوه بر کاهش برخوردها، می تواند جهت گیری مولکول ها را نیز دستکاری کند. این به نوبه خود وسیله ای برای کنترل نحوه تعامل آنها است که آزمایشگاه در حال حاضر در حال بررسی است. ایان استیونسون، یکی از نویسندگان و پسادکتر کلمبیا، گفت: با کنترل این برهمکنش‌های دوقطبی، امیدواریم حالت‌ها و مراحل کوانتومی جدیدی از ماده ایجاد کنیم.

دنیای جدیدی برای فیزیک کوانتومی باز می شود

یکی از پیشگامان علم فوق سرد مستقر در بولدر، نتایج را یک قطعه علمی زیبا می داند. او اظهار داشت: «این کار تأثیرات مهمی بر تعدادی از زمینه‌های علمی از جمله مطالعه شیمی کوانتومی و اکتشاف مواد کوانتومی با همبستگی قوی خواهد داشت». آزمایش ویل دارای کنترل دقیق برهمکنش‌های مولکولی برای هدایت سیستم به سمت یک نتیجه دلخواه است – یک دستاورد شگفت‌انگیز در فناوری کنترل کوانتومی.

در همین حال، تیم کلمبیا از داشتن یک توصیف نظری از برهمکنش‌های بین مولکول‌هایی که به صورت تجربی تأیید شده‌اند، هیجان‌زده هستند. کارمان می‌گوید: «ما واقعاً ایده خوبی از فعل و انفعالات این سیستم داریم، که برای مراحل بعدی مانند کاوش در فیزیک چند جسمی دوقطبی نیز حیاتی است. ما طرح‌هایی را برای کنترل برهم‌کنش‌ها ارائه کرده‌ایم، آن‌ها را در تئوری آزمایش کرده‌ایم، و آنها را در آزمایش پیاده‌سازی کرده‌ایم. دیدن این ایده‌ها برای محافظت از امواج مایکروویو در آزمایشگاه واقعاً یک تجربه شگفت‌انگیز بود.»

ده‌ها پیش‌بینی نظری وجود دارد که اکنون می‌توان آنها را به‌صورت تجربی با BEC‌های مولکولی آزمایش کرد، که نویسنده اول و دانشجوی دکترا Siwei Zhang اشاره کرد، کاملاً پایدار هستند. بیشتر آزمایش‌های فوق سرد در عرض یک ثانیه انجام می‌شوند  برخی از آنها به چند میلی‌ثانیه  اما BEC‌های مولکولی آزمایشگاه بیش از دو ثانیه دوام می‌آورند. او گفت: «این واقعاً به ما امکان می‌دهد سؤالات باز در فیزیک کوانتومی را بررسی کنیم.

یک ایده این است که کریستال های مصنوعی با BEC های محبوس شده در یک شبکه نوری ساخته شده از لیزر ایجاد شود. ویل خاطرنشان کرد: این شبیه‌سازی‌های کوانتومی قدرتمندی را امکان‌پذیر می‌کند که برهمکنش‌های کریستال‌های طبیعی را تقلید می‌کنند، که منطقه‌ای متمرکز از فیزیک ماده متراکم است. شبیه‌سازهای کوانتومی معمولاً با اتم‌ها ساخته می‌شوند، اما اتم‌ها فعل و انفعالات کوتاه‌بردی دارند – عملاً باید روی هم قرار گیرند – که این موضوع باعث می‌شود که آنها چقدر بتوانند مواد پیچیده‌تر را مدل‌سازی کنند. ویل گفت: “BEC مولکولی طعم بیشتری را معرفی می کند.”

ویجون یوان، نویسنده اول و دانشجوی دکترا، گفت که این شامل ابعاد است. او گفت: “ما دوست داریم از BEC ها در یک سیستم دو بعدی استفاده کنیم. وقتی از سه بعد به دو بعد می روید، همیشه می توانید انتظار ظهور فیزیک جدید را داشته باشید.” مواد دوبعدی حوزه اصلی تحقیقات در کلمبیا هستند. داشتن یک سیستم مدل ساخته شده از BEC های مولکولی می تواند به ویل و همکارانش در ماده متراکم کمک کند تا پدیده های کوانتومی از جمله ابررسانایی، ابرسیالیت و غیره را کشف کنند.

ویل گفت:به نظر می رسد دنیای جدیدی از امکانات در حال اکتشاف است.

Materials provided by Columbia University. Original written by Ellen Neff. Note: Content may be edited for style and length.