ساخت گردباد کوانتومی با ابرهای اتم‌های فوق سرد

فیزیکدانان دانشگاه «MIT» براساس مقاله‌ای که اخیرا در مجله «نیچر» به چاپ رسیده، موفق‌ شده‌اند «گردباد کوانتومی» را در ابرهای اتم‌های فوق سرد تشکیل دهند. این پدیده اولین مشاهده مستقیم از مراحل تحول یک گاز کوانتومی با سرعت چرخشی بسیار بالاست. به گفته نویسندگان، این فرآیند شبیه این است که چگونه اثرات چرخشی زمین می‌تواند منجر به الگوهای آب و هوایی در مقیاس بزرگ شود.

هدف دانشمندان در این پروژه مطالعه سیالات کوانتومی «هال» بود. سیالات هال که در دهه 1980 کشف شدند، از ابرهای الکترونی شناور در میدان‌های مغناطیسی تشکیل می‌شوند. این پدیده در فیزیک کلاسیک مشاهده نمی‌شود زیرا در فیزیک کلاسیک الکترون‌ها یکدیگر را دفع می‌کنند و اگر در میدان مغناطیسی قرار بگیرند، در جای خود منجمد شده، انرژی جنبشی خود را از دست می‌دهند و کریستال‌ها را می‌سازند. اما در کوانتوم داستان متفاوت است. الکترون‌ها رفتار یکسان همسایگان خود را تقلید می‌کنند – شواهدی از همبستگی کوانتومی.

«ریچارد فلچر»، یکی از محققین این پروژه می‌گوید: «ما فکر کردیم شاید بتوان این رفتار غیرعادی الکترون را با استفاده از ابرهای گازهای کوانتومی فوق سرد شبیه‌سازی کنیم.» گازهای فوق سرد کوانتومی تحت عنوان «چگالش بوز-اینشتین(BEC)» شناخته می‌شوند – به افتخار «آلبرت اینشتین» و فیزیکدان هندی «ساتیندرا بوز»، از کاشفین این گاز. BEC گویی یک ذره‌بین قدرتمند در اختیار دانشمندان قرار می‌دهد تا دنیای عجیب و کوچک کوانتوم را با دقت بررسی کنند.

یکی از چالش‌هایی که دانشمندان در این پروژه با آن روبرو شدند، فاقد بار بودن گازهای اتمی فوق سرد بود. این فاقد بار بودن شبیه‌سازی پدیده‌هایی مانند اثر هال کوانتومی را دشوار می‌کند. بدین ترتیب آن‌ها تصمیم گرفتند تا با ایجاد چرخش درون سیستم به این مشکل غلبه کنند. «مارتین زویرلین»، فیزیکدان دانشگاه MIT می‌گوید: «تصمیم گرفتیم با این اتم‌ها طوری رفتار کنیم که انگار الکترون‌هایی در میدان مغناطیسی هستند. پس می‌توانیم دقیقا آن‌ها را کنترل کنیم و رفتارشان را بسنجیم.»

ساخت گردباد کوانتومی

دانشمندان ابتدا با استفاده از لیزر، حدود یک میلیون اتم گاز سدیم را خنک کردند. اتم‌های سرد شده توسط یک میدان مغناطیسی در جای خود نگه داشته شدند. مرحله دوم خنک‌سازی نوع تبخیری است که در آن شبکه‌ای از میدان‌های مغناطیسی سبب می‌شود داغ‌ترین اتم‌ها از این مجموعه بیرون رانده شوند. این کار به این علت انجام می‌شود که اتم‌های سردتر فضای بیشتری برای حرکت در نزدیکی یکدیگر داشته باشند. میدان مغناطیسی که مورد استفاده قرار گرفته است، می‌تواند چرخش لازم برای رفع چالش مذکور را ایجاد کند. این چرخش در اثر پاسخی که اتم‌های سدیم به نور لیزر فلورسان می‌دهند، با دوربین‌های «CCD» ثبت شد.

در عرض صد میلی ثانیه، اتم‌ها به نحوی چیده شده و جهت‌گیری کردند که انگار به دور یک سوزن بلند و نازک جمع شده‌اند – یک ریسمان بلند – این ساختار سوزن مانند که گازهای فوق سرد تشکیل می‌دهند، سال گذشته در مجله «ساینس» به چاپ رسید.

در مرحله بعد، دانشمندان به بررسی تکامل این حالت پرداختند: آن‌ها با ایجاد یک ناپایداری کوانتومی رفتار اتم‌ها در این ساختار سوزنی را مشاهده کردند. فعل و انفعالات اتمی – در نتیجه ناپایداری ایجاد شده - در گاز در حال چرخش سبب شد اتم‌ها به صورت حباب‌هایی دوار شبیه به گردباد متبلور شوند.

این ساختار گردبادی اتم‌ها به دانشمندان اجازه می‌دهد تا اثرات کوانتومی را به صورت مستقیم مشاهده کنند. همچنین این اثر کاربردهای شگفتی در علوم مختلف دارد. به عنوان مثال می‌توان از آن برای حسگرهای چرخشی ناوبری زیردریایی استفاده کرد. زیردریایی‌ها به ژیروسکوپ‌های فیبر نوری برای تشخیص حرکت چرخشی متکی هستند. گردباد کوانتومی می‌تواند میزان دقت این سیستم نسبت به تغییرات جزئی در چرخش زمین را تا حد بسیار زیادی افزایش دهد.