يقوم الفيزيائيون ببناء ليزر ذري يمكن أن يستمر إلى الأبد

يقوم الفيزيائيون ببناء ليزر ذري يمكن أن يستمر إلى الأبد
الجزء المركزي من التجربة حيث يتم إنشاء موجات من المادة المتماسكة. تسقط الذرات الطازجة (الزرقاء) وتشق طريقها إلى مركز بوز-آينشتاين التكثيف. في الواقع ، الذرات غير مرئية للعين المجردة. ائتمانات: Scixel.

ينتج الليزر موجات ضوئية متماسكة. هذا يعني أن كل الضوء الموجود داخل الليزر يهتز في نفس الوقت. وفي الوقت نفسه ، تقترح ميكانيكا الكم أن الجسيمات ، مثل الذرات ، ينبغي اعتبارها موجات. نتيجة لذلك ، ظهرت فكرة أنه يمكننا إنشاء "ليزر ذري" يحتوي على موجات من مادة متماسكة.

ولكن هل يمكننا إبقاء موجات المادة هذه حية لفترة كافية لاستخدامها في التطبيقات؟ أظهرت مجموعة من علماء الفيزياء في أمستردام أن الإجابة على هذا السؤال هي نعم ، في دراسة نُشرت هذا الأسبوع في مجلة Nature.

الحركات المتزامنة للبوزونات

تكثيف بوز-آينشتاين ، أو باختصار BEC ، هو المفهوم الأساسي لليزر الذري. الفرميونات والبوزونات نوعان من الجسيمات الأولية الموجودة في الطبيعة. الفرميونات عبارة عن جسيمات تشبه الإلكترون والكوارك وتشكل المكونات البنيوية للمادة. تختلف البوزونات عن الفرميونات من حيث أنها ليست صلبة مثل الفرميونات ولكنها ناعمة ، مما يسمح لها بالمرور عبر بعضها البعض دون صعوبة. الفوتون ، أصغر كمية يمكن تخيلها من الضوء ، هو أفضل مثال معروف للبوزون. ومع ذلك ، يمكن أن تتحد جسيمات المادة لتكوين البوزونات ، ويمكن لجميع الذرات أن تتصرف بشكل مشابه لجزيئات الضوء.

ما يميز البوزونات عن الجسيمات الأخرى هو أنها يمكن أن تكون جميعها في نفس الحالة في نفس الوقت ، أو بعبارة أخرى ، "تتكثف" في موجة متماسكة. عندما تتكثف جسيمات المادة بهذه الطريقة ، يسمي الفيزيائيون المادة الناتجة تكثيف بوز-آينشتاين.

نحن لسنا على دراية بهذه التكثيفات في الحياة اليومية. هذا لأنه من الصعب للغاية أن تعمل الذرات كوحدة واحدة. سبب اختفاء التزامن هو درجة الحرارة.

عندما تسخن مادة ما ، تبدأ الجزيئات التي تتكون منها في التناثر حولها ، مما يجعل من المستحيل عليها أن تعمل بشكل كامل.

يمكن أن تحدث موجات المادة المتماسكة من BEC فقط في درجات حرارة منخفضة للغاية ، ما يقرب من واحد في المليون من الدرجة فوق الصفر المطلق (حوالي 273 درجة تحت الصفر على مقياس سيليزيوس).

تم إنتاج أول مكثفات بوز-آينشتاين في مختبرات الفيزياء منذ ربع قرن. سمح هذا بتطوير الليزر الذري (الأجهزة التي تنبعث منها أشعة المادة) ، لكن هذه الأجهزة يمكن أن تعمل فقط لفترة قصيرة. يمكن أن ينتج الليزر نبضات من موجات المادة ، لكن كل نبضة تتطلب إنشاء BEC جديد قبل إرسال التالية.

هذا لم يكن سيئًا بالنسبة للخطوة الأولى نحو الليزر الذري. في الواقع ، تم تصنيع الليزر الضوئي التقليدي أيضًا في شكل نبضي قبل أن يقوم الفيزيائيون ببناء ليزرات مستمرة. ومع ذلك ، مع تقدم الليزر الضوئي بوتيرة سريعة ، ظهر أول ليزر مستمر بعد ستة أشهر من نظيره النبضي ، واستعصت النسخة المستمرة من الليزر الذري لأكثر من 25 عامًا.

كانت المشكلة واضحة: BECs حساسة للغاية وتختفي بسرعة عند تعرضها للضوء.

ومع ذلك ، فإن وجود الضوء أمر بالغ الأهمية في تكوين المكثفات: لتبريد مادة بمقدار واحد على مليون من الدرجة ، يجب استخدام ضوء الليزر لتبريد ذراتها.

نتيجة لذلك ، اقتصرت BECs على رشقات نارية قصيرة وتفتقر إلى القدرة على إدامتها بشكل معقول.

تمكن فريق من علماء الفيزياء من جامعة أمستردام من حل المشكلة الصعبة المتمثلة في إنشاء تكثيف بوز-آينشتاين المستمر.

يشرح قائد الفريق فلوريان شيك ما هي الحيلة. "في التجارب السابقة ، تم التبريد التدريجي للذرات في مكان واحد.

في إعدادنا ، قررنا نشر خطوات التبريد على المساحة وليس الوقت. يمكننا تحريك الذرات أثناء مرورها بخطوات تبريد متتالية.

في النهاية ، تصل الذرات شديدة البرودة إلى قلب التجربة ، حيث يمكن استخدامها لإنشاء موجات متماسكة من المادة في BEC.

ولكن بينما يتم استخدام هذه الذرات ، فإن الذرات الجديدة في طريقها بالفعل لتجديد BEC. بهذه الطريقة يمكننا الحفاظ على استمرار العملية — في الواقع ، بشكل أساسي. "

بينما كان المفهوم الأساسي سهلاً ، لم يكن تنفيذه موضع التنفيذ. يتذكر الباحث Chun-Chia Chen: "في وقت مبكر من عام 2012 ، طبق الفريق في إنسبروك تقنية تعزل BEC عن ضوء تبريد الليزر وتسمح بتبريد الليزر إلى الحالة المتدهورة اللازمة لتحقيق الاتساق. في حين أن هذه كانت خطوة أولى مهمة في حل المشكلة الطويلة الأمد المتمثلة في إنشاء ليزر ذري مستمر ، كان من الواضح أن المزيد من العمل سيكون مطلوبًا.

في عام 2013 بدأنا في تشغيل مشروع مدعوم بالتبرعات الشخصية. أتت التجربة أخيرًا ثمارها بعد ست سنوات.

لإصلاح مشكلة فنية أخيرة ، أضفنا شعاع ليزر إضافيًا وكشفت كل صورة أخذناها على الفور عن BEC ، أول موجة مستمرة من BEC. "

لمعالجة المشكلة القائمة منذ فترة طويلة المتمثلة في إنشاء مكثف بوز-آينشتاين المستمر ، قرر الباحثون الآن الهدف التالي.
هذا هو استخدام الليزر لإنشاء شعاع خروج ثابت للمواد.

لم يعد هناك شيء يقف في طريق التطبيقات التقنية بعد الآن ، عندما لا تعمل أشعة الليزر الخاصة بهم إلى أجل غير مسمى فحسب ، بل تنتج أيضًا حزمًا ثابتة.
يمكن أن تبدأ ليزرات المادة في لعب دور مهم بنفس القدر في التكنولوجيا كما يفعل الليزر العادي حاليًا.

المصدر: physorg

Günceleme: 04/07/2022 17:43

إعلانات مماثلة

كن أول من يعلق

Yorumunuz