فیزیکدانان دانشگاه آمستردام از ایجاد نوعی لیزر اتمی خبر داده اند که می تواند به طور مداوم برای همیشه کار کند. اما کاربرد آن چیست؟
نتایج کشف جدید به فیزیکدانان اجازه داد تا رفتاری شبیه لیزر ایجاد کنند که از نظر تئوری می تواند با ایجاد پرتوی از اتم ها برای همیشه باقی بماند. کشف نوع جدیدی از لیزر اتمی احتمالاً به این معنی است که فناوری مذکور می‌تواند عملیاتی شود، اگرچه محدودیت‌های مهمی برای انجام این کار وجود دارد.
در هر صورت، نتیجه توسعه یک گام رو به جلو برای پدیده معروف به “لیزر اتمی” است. در این فرآیند می توان از پرتوی ساخته شده از اتم هایی که به شکل موج حرکت می کنند در آینده برای آزمایش ثابت های فیزیکی و فناوری مهندسی دقیق استفاده کرد.
لیزرهای اتمی چندان جدید نیستند و اولین لیزر توسط تیمی از فیزیکدانان MIT در سال 1996 ساخته شد. در مفهوم اساسی، این پدیده مانند یک لیزر نوری سنتی است که از فوتون‌هایی تشکیل شده است که با امواج خود حرکت می‌کنند. اما با این تفاوت که لیزرهای اتمی قبل از انتشار در هوا نیاز به موج طبیعی خود برای تراز کردن دارند.
نوع جدیدی از لیزر اتمی چگونه ساخته شد؟
با این حال، مانند سایر موضوعات علمی، طراحی اولیه و مفهوم ساده تر از اجرای آنها است. در ریشه لیزر اتمی یک حالت تجمعی به نام میعان بوز-اینشتین یا BEC وجود دارد. BEC با سرد کردن ابری از بوزون ها به چیزی بالاتر از صفر مطلق ایجاد می شود. در این دمای پایین، اتم‌ها پیوسته در پایین‌ترین حالت انرژی ممکن فرو می‌روند.
هنگامی که آنها به سطوح انرژی پایین تر می رسند، خواص کوانتومی دیگر با یکدیگر تداخل ندارند.آنها به اندازه‌ای نزدیک می‌شوند که همپوشانی داشته باشند و ابری با چگالی بالا از اتم‌ها ایجاد کنند که مانند یک «ابر اتمی» یا موجی از ماده رفتار می‌کند.
با این حال، BEC همچنین دارای ویژگی های متناقض است. به دلیل شکنندگی زیاد، حتی به نور نیز حساس هستند. از آنجایی که اتم های یک BEC توسط لیزرهای نوری خنک می شوند، این معمولاً به این معنی است که BEC محدود و مقطعی است.
لیزرهای اتمی که دانشمندان تا به امروز موفق به دستیابی به آنها شده اند، از نوع پیوسته نیستند و پالسی هستند، که فقط شامل شلیک یک پالس قبل از تولید BEC جدید است. برای ایجاد یک BEC پیوسته، تیمی از محققان از دانشگاه آمستردام در هلند متوجه شدند که باید چیزی را تغییر دهند.
فیزیکدانی به نام فلوریان شرک گفت:
در آزمایش های قبلی، فرآیند کاهش تدریجی دمای اتم ها در یک مکان مشترک انجام شد. اما در راه اندازی خود، تصمیم گرفتیم مراحل خنک کننده را نه از طریق زمان، بلکه از طریق فضا توزیع کنیم. ما اتم ها را به طور همزمان از طریق مراحل متوالی کاهش دما حرکت می دهیم.
او ادامه داد:
در نهایت، اتم های فوق سرد شده به قلب آزمایش می رسند، جایی که می توان از آنها برای تشکیل منسجم امواج ماده در BEC استفاده کرد. اما با مصرف آن اتم ها، نمونه های جدیدی نیز برای شارژ مجدد BEC می رسند. به این ترتیب می توانیم روند موجود را برای همیشه تغییر دهیم.
محافظت BEC از نور تولید شده توسط لیزر خنک کننده، در حالی که روی کاغذ ساده است، در عمل کمی دشوارتر بود. علاوه بر چالش های فنی، موانع اداری و کاغذبازی نیز مشکلاتی را ایجاد کرد.
چان چیا چن، فیزیکدانی که این مطالعه را رهبری کرد، گفت:
ما در سال 2013 به آمستردام نقل مکان کردیم و با ایمان، مقداری اعتبار، یک اتاق یدکی و تیمی که تماماً از طریق کمک های مالی خصوصی تامین می شد، شروع کردیم.سپس شش سال بعد، در ساعات اولیه صبح کریسمس 2019، آزمایش ما در نهایت راه اندازی شد. برای حل مشکل آخر، از ایده اضافه کردن یک پرتو لیزر اضافی استفاده کردیم و بلافاصله تصویری که دریافت کردیم اولین موج پیوسته BEC را نشان داد.
به گفته تیم تحقیقاتی، اکنون که اولین قسمت از لیزر اتمی CW دریافت شده است، گام بعدی حفظ یک پرتو کاری پایدار از اتم ها است. آنها می توانند با انتقال اتم ها به حالت عاری از تله و استخراج یک موج ماده در حال انتشار به این امر دست یابند.
به گفته این تیم، از آنجایی که آنها از اتم‌های استرانسیم استفاده کردند، که یک انتخاب محبوب برای BECها است، این چشم‌انداز فرصت‌های هیجان‌انگیزی را به وجود می‌آورد. به عنوان مثال، تداخل سنجی اتمی با استفاده از الگوهای BEC استرانسیم می تواند برای بررسی نسبیت و مکانیک کوانتومی یا برای تشخیص امواج گرانشی استفاده شود.
محققان در مقاله خود نوشتند:
آزمایش ما یک آنالوگ موج ماده از یک لیزر نوری پیوسته با آینه های توخالی کاملاً بازتابنده است. اثبات این اصل بخش جدیدی از اپتیک اتمی را که تا به حال کشف نشده بود، فعال کرد و امکان ساخت دستگاه هایی برای امواج ماده پیوسته را فراهم کرد.
