نزدیکی اتم‌ها برای شبیه‌سازهای کوانتومی که ابزارهای قدرتمند دانشمندان برای اکتشاف مواد و حالات جدید ماده هستند، بسیار مهم است.

به گزارش ایسنا، در قلمرو مکانیک کوانتومی، مجاورت از هر چیز مهم‌تر است. هر چه اتم‌ها نزدیک‌تر باشند، برهم‌کنش‌های آنها قوی‌تر می‌شود و گنجینه‌هایی از پدیده‌های عجیب و غریب را ممکن می‌کند.

این نزدیکی برای شبیه‌سازهای کوانتومی، ابزارهای قدرتمندی که دانشمندان برای اکتشاف مواد و حالات جدید ماده استفاده می‌کنند، بسیار مهم است. به طور سنتی، این شبیه‌سازها اتم‌ها را با فاصله حداقل ۵۰۰ نانومتر از هم به دام می‌انداختند، محدودیتی که توسط طول موج نور مورد استفاده برای دستکاری تعیین می‌شود.

به نقل از آی‌ای، اکنون محققان مؤسسه فناوری ماساچوست(MIT) این مانع را شکسته‌اند و یک تکنیک پیشگامانه را توسعه داده‌اند که اتم‌ها را ۱۰ برابر به یکدیگر نزدیک‌تر می‌کند و آنها را تنها با فاصله ۵۰ نانومتری از هم قرار می‌دهد.

برای درک این فاصله باید گفت که عرض یک گلبول قرمز تقریباً ۱۰۰۰ نانومتر است که این نزدیکی باورنکردنی به دست آمده را برجسته می‌کند.

شکستن سد نور

فیزیکدانان معمولاً از یک رویکرد دو جانبه برای مرتب کردن اتم‌ها استفاده می‌کنند که شامل دماهای فوق سرد و لیزرهای دارای موقعیت استراتژیک است. لیزرها با طول موج‌های خاص خود، کوچک‌ترین الگوی قابل دستکاری را دیکته می‌کنند که به ‌طور سنتی روی ۵۰۰ نانومتر که حد تفکیک نوری است، محدود می‌شود. از آنجایی که اتم‌ها به فرکانس‌های نور خاصی جذب می‌شوند، موقعیت‌یابی آنها به نقاط اوج شدت لیزر متکی است. این محدودیت مانع از اکتشاف پدیده‌هایی شد که به نزدیکی اتمی بسیار نزدیک‌تری نیاز داشتند.

ولفگانگ کترل(Wolfgang Ketterle)، محقق برجسته این پروژه توضیح می‌دهد: تکنیک‌های کنونی توسط طول موج نور محدود می‌شوند، نه خود اتم‌ها. ما یک تکنیک جدید دستکاری نور را کشف کرده‌ایم که از این محدودیت فراتر می‌رود.

رقص نور و چرخش

رویکرد محققان روش‌های موجود را با سرد کردن ابری از اتم‌ها، در این مورد، دیسپروزیم(dysprosium) که به خواص مغناطیسی قدرتمندش معروف است، تا نزدیک به صفر مطلق منعکس می‌کند. این حالتِ تقریباً ثابت امکان دستکاری دقیق با لیزر را فراهم می‌کند.

پژوهشگران سپس از دو لیزر استفاده کردند که هر کدام دارای فرکانس‌های متمایز (رنگ‌ها) و قطبش دوار (جهت میدان الکتریکی) بودند. هنگامی که این پرتوها با ابر اتمی فوق سرد تعامل می‌کنند، اتم‌ها می‌توانند چرخش‌ها یا اسپین‌های خود را در جهت مخالف هم‌تراز کنند و قطبش لیزرها را منعکس کنند. این اساساً دو گروه از اتم‌های یکسان را ایجاد می‌کند که بر اساس جهت اسپین‌شان متمایز می‌شوند.

هر لیزر یک موج ایستاده را تشکیل می‌دهد که الگویی با شدت میدان الکتریکی متغیر با فاصله ۵۰۰ نانومتر است. این امواج به دلیل قطبش‌های متفاوتشان، گروه‌های اتمی خاص را بر اساس اسپین خود جذب کرده و به هم می‌بندند.

محققان با همپوشانی و تنظیم دقیق لیزرها توانستند به فاصله ۵۰ نانومتری بین شدت اوج دست یابند و به طور مؤثر گروه‌های اتمی را با همان فاصله از هم جدا کنند.

با این حال، این دستکاری ظریف نیاز به پایداری لیزری استثنایی دارد تا حتی در برابر کوچکترین اختلالات محیطی مصون باشد. محققان به طرز هوشمندانه‌ای با هدایت هر دو لیزر از طریق فیبر نوری به این چالش غلبه کردند و اساساً آنها را نسبت به یکدیگر هماهنگ کردند.

لی دو، نویسنده اصلی این مقاله توضیح می‌دهد: فیبر حتی با وجود ارتعاشات خارجی قابل توجه، اطمینان حاصل کرد که دو پرتو لیزر نسبت به یکدیگر کاملاً پایدار می‌مانند.

پرده‌برداری از قدرت مجاورت

این تیم برای آزمایش اولیه خود از اتم‌های دیسپروزیم استفاده کرد که یک فلز خاکی کمیاب و دارای خواص مغناطیسی استثنایی، به‌ویژه در دماهای بسیار سرد است. با این حال در سطح اتمی، این فعل و انفعالات مغناطیسی حتی در طیف ۵۰۰ نانومتر ضعیف هستند. این اتم‌ها مانند آهنرباهای معمولی هرچه به هم نزدیکتر باشند، جاذبه میان آنها قوی‌تر است.

محققان این فرضیه را مطرح کردند که تکنیک آنها با قرار دادن اتم‌های دیسپروزیم در فاصله ۵۰ نانومتری می‌تواند برهمکنش‌هایی را که قبلاً غیر قابل تشخیص بود، آشکار کند.

کترل می‌گوید: این فعل و انفعالات مغناطیسی که قبلاً ناچیز بودند، در چنین فاصله نزدیکی به طرز باورنکردنی قوی می‌شوند.

این آزمایش ظن پژوهشگران را تأیید کرد. آنها با فوق سرد کردن اتم‌های دیسپروزیم، تقسیم آنها به لایه‌های مبتنی بر اسپین با لیزر و تثبیت لیزرها با فیبر نوری، با موفقیت به نزدیکی ۵۰ نانومتری دست یافتند که نزدیک‌ترین آرایشی است که تاکنون در آزمایش‌های اتم فوق سرد به دست آمده است.

این نزدیکی چشمگیر به طور قابل توجهی برهمکنش‌های مغناطیسی طبیعی بین اتم‌ها را تقویت کرد و آنها را نسبت به فاصله ۵۰۰ نانومتری هزار برابر قوی‌تر کرد.

این تیم دو پدیده کوانتومی شگفت‌انگیز را مشاهده کرد؛ یکی نوسان جمعی که در آن ارتعاشات در یک لایه باعث ایجاد ارتعاشات همزمان در لایه دیگر می‌شود و دیگری گرماسازی که در آن انتقال حرارت بین لایه‌ها تنها از طریق میدان‌های مغناطیسی نوسانی درون اتم‌ها رخ می‌دهد.

لی دو توضیح می‌دهد: پیش از این، تبادل حرارت بین اتم‌ها به تماس فیزیکی مستقیم نیاز داشت. در اینجا ما شاهد لایه‌های اتمی بودیم که توسط خلأ جدا شده‌اند و صرفاً از طریق نوسانات مغناطیسی تبادل گرما می‌کردند.

طلوع جدیدی برای اکتشاف کوانتومی

این پژوهش از یک تکنیک انقلابی برای قرار دادن انواع مختلف اتم در مجاورت نزدیک پرده‌برداری کرده است. همچنین پدیده‌های کوانتومی جذابی را که با نزدیک شدن اتم‌ها به شکل باورنکردنی به هم ظاهر می‌شوند، روشن می‌کند.

این دانش، راه را برای توسعه مواد کوانتومی جدید و به طور بالقوه برای سیستم‌های اتمی مغناطیسی در رایانه‌های کوانتومی هموار می‌کند.

کترل در نتیجه‌گیری خود گفت: ما اساساً در حال معرفی روش‌های با وضوح فوق‌العاده در زمینه شبیه‌سازی کوانتومی هستیم. این روش درها را به روی تعداد زیادی از احتمالات باز می‌کند و ما به طور فعال در حال بررسی کاربردهای مختلف این تکنیک هستیم.