فیزیکدانان "گردنبند" اتم ها را منجمد کردند - و شاهد یک پدیده کوانتومی بودند که 100 سال پیش پیش بینی شده بود.

"گردنبند" اتم های فوق سرد شواهد جدیدی برای حمایت از یک نظریه کوانتومی تقریبا 100 ساله ارائه کرده است.

در سال 1931، فیزیکدانان در تلاش بودند تا با استفاده از مکانیک کوانتومی توضیح دهند که چرا برخی از مواد مغناطیسی هستند. سپس، یک فیزیکدان جوان به نام هانس بته به یک ردیف الکترون نگاه کرد. اسپین هر الکترون می تواند به سمت بالا یا پایین باشد. بث نحوه رفتار چنین ردیفی را محاسبه کرد و دریافت که اگر چند چرخش در ردیف بچرخد، می‌تواند به هم بچسبد و به عنوان یک واحد در ردیف حرکت کند.

دهه‌ها بعد، فیزیکدانان دریافتند که روش بته برای ذرات بزرگ‌تری که در امتداد یک خط حرکت می‌کنند، مانند اتم‌ها نیز کار می‌کند. اگر آن ذرات یکدیگر را جذب کنند، ریاضیات پیش‌بینی می‌کند که به خوشه‌هایی به نام رشته‌های بته متصل می‌شوند.

اکنون، فیزیکدانان شواهدی از این خوشه ها را در ردیفی از اتم های فوق سرد یافته اند. این یافته ها در 29 اوت در مجله Nature Communications منتشر شد.

The discovery may not create new gadgets, but it addresses a fundamental mystery in physics. همه چیز اطراف ما، از آهن ربا گرفته تا تراشه های تلفن، از ذرات بی شماری تشکیل شده است که در حال تعامل هستند. این امر پیش بینی رفتار آنها را دشوار می کند. اتم های فوق سرد به عنوان یک راه روشن و قابل تنظیم برای مطالعه این سیستم های پیچیده عمل می کنند.

"گردنبند" اتم

محققان قبلا رشته‌های کوچک بته را در کریستال‌های مغناطیسی و مدارهای کوانتومی ابررسانا مشاهده کرده بودند - اما این آزمایش‌ها رشته‌ها را یکی یکی ضبط کردند.

تئوری پیش‌بینی می‌کند که انبوهی از رشته‌ها، در اندازه‌های مختلف، می‌توانند نحوه رفتار کل سیستم را تغییر دهند و مطالعه آن ایده مستلزم ساختن چندین رشته در یک زمان است. انجام این کار با اتم ها سخت بوده است. اتم هایی که همدیگر را جذب می کنند معمولا به صورت توده ای فرو می ریزند. اما این بار، به نظر می رسد که این تیم چندین رشته با اندازه های مختلف را به طور همزمان ساخته اند، از جمله برخی با بیش از شش اتم.

برای ساختن "گردنبند"، محققان مجبور شدند یک میعانات بوز-انیشتین، فاز خاصی از ماده ایجاد کنند. (اعتبار تصویر: blackdovfx از طریق گتی ایماژ) جذب اتم ها برای جذب یکدیگر دشوار است. در سه بعد، گازی که از اتم های جذب کننده ساخته شده است، با جمع شدن اتم ها به هم و تشکیل مولکول ها تمایل به فروپاشی دارد. این فرآیند انرژی آزاد می کند که اتم ها را از آزمایش خارج می کند، بنابراین گاز به سرعت فرو می ریزد و ناپدید می شود. اما وقتی آنها در یک خط قرار می گیرند، اتم ها رفتار متفاوتی دارند.

هانس کریستوف ناگرل، فیزیکدان تجربی در دانشگاه اینسبروک، یکی از نویسندگان این مطالعه، به لایو ساینس گفت: "آنها واقعا کمی شبیه مرواریدهای روی یک ریسمان هستند، درست است؟ مانند یک گردنبند، آنها نمی توانند از کنار آنها عبور کنند." "در سه بعدی، همه چیز فرو می ریزد. اما در یک بعدی، فرو نمی ریزد."

این تیم برای ساخت «گردنبند» خود، با ده‌ها هزار اتم سزیم که در یک میعانات بوز-انیشتین سرد شده بودند، شروع کردند - حالتی از ماده که در آن اتم‌هایی که تا نزدیک صفر مطلق سرد می‌شوند، یک حالت کوانتومی واحد دارند. پرتوهای لیزر سپس میعانات را به هزاران لوله نازک تقسیم کردند که هر کدام تا چند ده اتم را در یک خط نگه می داشتند.

ابتدا اتم ها یکدیگر را دفع می کردند. محققان با استفاده از یک میدان مغناطیسی آن دافعه را به تدریج به صفر رساندند و سپس آن را به جاذبه تبدیل کردند.

تیم نمی توانست سیم ها را مستقیم ببیند. در عوض، آنها اتم ها را رها کردند و سرعت گسترش ابر را اندازه گرفتند. هنگامی که اتم ها فقط در طول لوله های خود منبسط می شدند، هر رشته ای دست نخورده باقی می ماند. هنگامی که اتم ها در هر سه بعد آزاد شدند، رشته ها از هم جدا شدند و انرژی اتصال خود را به عنوان حرکت آزاد کردند. محققان دریافتند که ابرهای سه بعدی با انرژی تقریبا سه برابر ابرهای یک بعدی پخش می شوند.

از این تفاوت، تیم تخمین زد که اتم ها چقدر محکم به هم متصل شده اند. پاسخ به رشته هایی از حداقل شش اتم اشاره داشت. این اندازه‌گیری‌ها همچنین با پیش‌بینی‌های نظریه‌ای به نام هیدرودینامیک تعمیم‌یافته مطابقت داشت، که گازی مانند این گاز را به‌عنوان سیالی ساخته شده از انواع ذرات، از جمله رشته‌هایی با اندازه‌های مختلف توصیف می‌کند. همچنین نحوه جریان هر نوع در طول زمان را به جای دنبال کردن هر اتم ردیابی می کند.

نگرل مراقب بود که این را اثبات نکند. او گفت: «اینکه برخی نظریه‌ها با داده‌های شما مطابقت دارند، دلیلی بر وجود چیزی نیست. این فقط شواهد بیشتری برای حمایت از آن است.

یک حالت کوتاه مدت

ریسمان ها احتمالا مدت زیادی زنده نمی مانند. Up close, the atoms still feel the three-dimensional world, and the strings eventually decay into ordinary cesium molecules. In the coldest runs, the team lost about 40% of the atoms.

"Transiently you create these Bethe string states," Nägerl said. اما من فکر نمی کنم که آنها عمر طولانی داشته باشند.

داستان های مرتبط

Scientists discover new, 3rd form of magnetism that may be the 'missing link' in the quest for superconductivity

فیزیکدانان به فاز جدید عجیب و غریب ماده، بعد اضافی می دهند

Physicists create new state of matter from quantum soup of magnetically weird particles

او ایده ای برای آزمایش های آینده دارد. فیزیکدانان اخیرا یاد گرفته اند که مولکول های فوق سرد را با امواج مایکروویو محافظت کنند که از برخورد مولکول ها در فاصله نزدیک جلوگیری می کند. رشته‌های ساخته شده از مولکول‌های محافظ ممکن است به اندازه‌ای دوام داشته باشند که مستقیما مورد مطالعه قرار گیرند. اما نگرل تاکید کرد که این ایده آزمایش نشده است. او گفت: "در حال حاضر هیچ کس بر روی ادعاهای من بررسی تئوری انجام نداده است، اما فکر می کنم به طور شهودی این باید کار کند."

گزینه دیگر میکروسکوپ گاز کوانتومی است که اتم ها را در یک زمان تصویر می کند و می تواند شواهد مستقیم تری از رشته های جداگانه ارائه دهد.

برای نگرل، رشته‌های بته یک گام در درک چگونگی رفتار سیستم‌های کوانتومی با ذرات بسیار و در طول زمان است. او گفت که هدف بلندمدت او آزمایشی است که در آن فیزیکدان‌ها هم نحوه حرکت هر ذره و هم چرخش چرخش آن را کنترل می‌کنند و به آنها اجازه می‌دهند تا مواد مدل را تکه تکه، «مانند یک نوع لگو» جمع‌آوری کنند. تیم او مرحله بعدی را آغاز کرده است: استفاده از لیزر برای کنترل چرخش اتم ها در گاز یک بعدی آن. He described Bethe strings as "a little diversion." اما از آنجا که رشته ها هر زمان که اتم ها جذب می شوند تشکیل می شوند، نمی توان آنها را نادیده گرفت.