سوپر اتم

جهان شماره ۳

New Scientist

وقتی دو هزار اتم٬ یک اتم می شود

چگونه پیش بینی انیشتین در مورد وجود یک فاز جدید در همسایگی صفر مطلق به اثبات رسید.

هفتاد سال پیش «آلبرت انیشتین»٬ فیزیکدان نامی معاصر٬ بر اساس آمار کوانتومی که بوسیله «ساتیندرانات بُز» (Satyndra Nath Bose) دانشمند هندی تهیه شده بود٬ پیش بینی کرده بود٬ که در همسایگی درجه حرارت صفر مطلق٬ اتم ها بهم پیوسته و تشکیل یک فاز جدید می دهند.

تا این اواخر از نظر عملی رسیدن به این درجه حرارت ممکن نبود. در سال گذشته دکتر «اریک کرنل» (Dr. Eric Cornell) و دکتر «کارل وایمن» (Dr. Carl Wienman) پژوهشگران آزمایشگاه فیزیک فضائی موسسه ملی استاندارد و تکنولوژی آمریکا در شهر کلرادو اعلام کردند که موفق به دست یابی به یک فاز جدید در همسایگی درجه حرارت صفر مطلق شده اند.

این فاز جدید از هم اکنون بنام «کاندنسیت بُزانیشتین» (Bose - Einstein - Condensate) و یا BEC برای اختصار معروف شده است.

بر اساس پیش بینی انیشتین٬ در همسایگی صفر مطلق تمام اجزاء تشکیل دهنده اتمها در پایین ترین سطح انرژی کوانتومی خود قرار می گیرند و طول موج آنها بقدری افزایش می یابد که از فاصله اتمها از یکدیگر بیشتر می شود. در این شرایط حجم اشغال شده بوسیله اتمها افزایش می یابد و اتمهای مجزا روی هم قرار می گیرند. شبیه فوتون ها در لیزر٬ اتمها در این شرایط خواص مشابهی یافته و حرکت آنها هم جهت می شود و می توان گفت که در همسایگی صفر مطلق کلیه اتمها ذوب شده٬ بهم پیوسته و تولید یک «سوپر اتم» می کنند.

مشکل اصلی برای بدست آوردن این فاز دسترسی به درجه حرارت های بسیار نزدیک به صفر مطلق است.

برای درک بهتر میزان برودت لازم٬ یادآوری می شود که درجه حرارت اکسید کربن جامد٬ منهای ۷۸/۵ درجه سانتیگراد و درجه حرارت فضای کیهانی٬ منهای ۲۷۰ درجه سانتی گراد است. این درجه حرارت از صفر مطلق٬ یا درجه حرارتی که در آن تمام اتمها از حرکت باز می مانند٬ سه درجه گرم تر است.

برای دستیابی به این فاز جدید به سرمایی معادل ۱۷۰ بیلیونیم درجه بالای صفر مطلق نیاز است.

برای رسیدن به این هدف پژوهشگران کلرادو فلز روبیدیم (Rubidium) را با اشعه لیزر بمباران کردند. این کار شبیه بازداشتن توپ بیلیارد بوسیله بمباران آن با گلوله های کوچکتر است. در آزمایش اخیر طول موج لیزر طوری تنظیم شده بود که هنگامی که اتمها به طرف منبع لیزر حرکت می کردند فوتون های نوری ضربه های بیشتری را به آنها وارد می کردند. نتیجه این کار٬ پایین بردن سرعت حرکت و در نتیجه درجه حرارت آنها بود.

این تکنیک با تمام خلاقیتی که در آن بکار رفته بود هنوز برای ایجاد سرمای مورد نظر کافی نبود. درجه حرارت تا کمتر از یک میلیونیم درجه بالای صفر مطلق کاهش یافت ولی هنوز شرایط برای ایجاد فاز جدید آماده نبود. دومین روشی که برای ایجاد برودت بیشتر به کار گرفته شد٬ ایجاد یک تله مغناطیسی بود که تنها به سریع ترین و یا گرم ترین اتمها اجازه فرار می داد. در ابتدا بعلت فرار بعضی از اتم های سرد٬ از مرکز تله مغناطیسی٬ فقط دستیابی به ۲۰۰ بیلیونیم درجه بالای صفر مطلق میسر شد. این درجه سرما نیز هنوز برای بهم پیوستن اتمها و ایجاد فاز جدید کافی نبود.

در مرحله بعدی٬ این دو دانشمند با تغییر میدان مغناطیسی موفق به جلوگیری از فرار اتمهای سرد شدند. درجه حرارت به ۱۷۰ بیلیونیم درجه بالای صفر مطلق رسید و حدود ۲۰۰۰ اتم ذوب شده٬ بهم پیوسته و سوپراتم درازی با ضخامتی کمتر از ۲۰۰ میکرومتر تشکیل دادند. دکتر کرنل و وایمن پیش بینی می کنند که بتوانند فاز جدید را تا ۲۰ بیلیونیم درجه بالای صفر مطلق سرد کنند. این فاز جدید از هم اکنون برای تحقیق در بعضی از پیش بینی های کوانتوم مکانیک بکار می رود و در آینده کاربردهای بسیاری برای آن پیش بینی می شود.

دکتر «کیت برنت» (Dr. Keith Burnett) پژوهشگر لابراتوار کلرندن اکسفورد موفقیت جدید را با کشف اشعه لیزر مقایسه می کند. بنظر او همانطور که امروزه اشعه لیزر حتی در سوپرمارکت ها برای خواندن اقلام خریداری شده بکار می رود و یا در دستگاههای پخش موزیک (Compact Disc Drive)

مورد استفاده قرار می گیرد٬ در آینده نزدیک بتوان از این سوپر اتم یا فاز جدید برای ساختن سیلیکون چیپ و یا وسایل دقیق دیگر و آزمایشهای بسیار دقیق در سطح اندازه گیری های اتمی استفاده کرد.

«تام گری تاک» (Tom Greytak) پژوهشگر انستیتو تکنولوژی ماساچوست (MIT) معتقد است که وقتی اتمها به این خوبی عمل می کنند اندازه گیری ثابت های فیزیکی را از این طریق می توان با دقت بسیار بیشتری انجام داد.

حتی اگر هیچ کاربرد عملی برای سوپراتم ها پیدا نشود با احتمال بسیار زیاد سوپر اتم ها در شناختن طبیعت ماده به ما یاری خواهند داد.

آنچه مسلم است این است که دریچه جدیدی در دانش فیزیک باز شده است.

مترجم: دکتر فرزاد وحید