ظهور حالة كمية فريدة من المادة في كولومبيا

الفيزيائيون في جامعة كولومبيا لقد نقلوا الجزيئات إلى حد جديد شديد البرودة وخلقوا حالة من المادة حيث تسود ميكانيكا الكم.

هناك BEC جديد ومثير في المدينة لا علاقة له باللحم المقدد والبيض والجبن. لن تجده في متجرك المحلي، ولكن في أبرد مكان في نيويورك: مختبر الفيزيائي سيباستيان ويل من جامعة كولومبيا، والذي تتخصص مجموعته التجريبية في دفع الذرات والجزيئات إلى درجات حرارة أعلى بأجزاء من الدرجة فقط. الصفر المطلق.

الكتابة في طبيعة، نجح مختبر ويل، بدعم من المتعاون النظري تيجيس كارمان في جامعة رادبود في هولندا، في إنشاء حالة كمومية فريدة من نوعها للمادة تسمى مكثف بوز-آينشتاين (BEC) من الجزيئات.

اختراق في مكثفات بوز-آينشتاين

يتم تبريد BEC الخاص بهم إلى خمسة نانو كلفن فقط، أو حوالي -459.66 درجة فهرنهايت، وثباته لمدة ثانيتين طويلتين بشكل لافت للنظر، وهو مصنوع من جزيئات الصوديوم والسيزيوم. مثل جزيئات الماء، هذه الجزيئات قطبية، مما يعني أنها تحمل شحنة موجبة وشحنة سالبة. وأشار ويل إلى أن التوزيع غير المتوازن للشحنة الكهربائية يسهل التفاعلات طويلة المدى التي تشكل الفيزياء الأكثر إثارة للاهتمام.

إن الأبحاث التي يسعد مختبر ويل بمتابعتها باستخدام بوز-آينشتاين الجزيئية تتضمن استكشاف عدد من الظواهر الكمومية المختلفة، بما في ذلك أنواع جديدة من الميوعة الفائقة، وهي حالة من المادة تتدفق دون التعرض لأي احتكاك. ويأملون أيضًا في تحويل بوز-آينشتاين الخاصة بهم إلى أجهزة محاكاة يمكنها إعادة إنشاء الخصائص الكمومية المبهمة للمواد الأكثر تعقيدًا، مثل البلورات الصلبة.

بمساعدة الموجات الدقيقة، قام فيزيائيو كولومبيا بإنشاء مكثف بوز-آينشتاين، وهي حالة فريدة من نوعها للمادة، من جزيئات الصوديوم والسيزيوم. مصدر الصورة: ويل لاب، جامعة كولومبيا/ مايلز مارشال

وقال: “إن مكثفات بوز-آينشتاين الجزيئية تفتح مجالات جديدة تمامًا للبحث، بدءًا من فهم الفيزياء الأساسية حقًا إلى تطوير عمليات المحاكاة الكمومية القوية”. “هذا إنجاز مثير، لكنه في الواقع مجرد البداية.”

إنه حلم أصبح حقيقة بالنسبة لمختبر ويل، وهو حلم استغرق صنعه عقودًا من الزمن بالنسبة لمجتمع الأبحاث فائق البرودة الأكبر.

الجزيئات فائقة البرودة، قرن من الإنشاء

يعود علم BECs إلى قرن من الزمان إلى الفيزيائيين ساتيندرا ناث بوز وألبرت أينشتاين. وفي سلسلة من الأوراق البحثية المنشورة في عامي 1924 و1925، توقعوا أن مجموعة من الجسيمات المبردة إلى ما يقرب من حالة التوقف التام سوف تندمج في ذرة واحدة أكبر حجمًا لها خصائص وسلوكيات مشتركة تمليها قوانين ميكانيكا الكم. إذا أمكن إنشاء BECs، فإنها ستوفر للباحثين منصة جذابة لاستكشاف ميكانيكا الكم على نطاق أكثر سهولة من الذرات أو الجزيئات الفردية.

استغرق الأمر حوالي 70 عامًا منذ تلك التنبؤات النظرية الأولى، ولكن تم إنشاء أول BECs الذرية في عام 1995. وقد تم الاعتراف بهذا الإنجاز بجائزة نوبل في الفيزياء في عام 2001، في وقت قريب من بداية ويل في الفيزياء في جامعة ماينز. في ألمانيا. تقوم المختبرات الآن بشكل روتيني بتصنيع بوز-آينشتاين ذرية من عدة أنواع مختلفة من الذرات. وقد وسعت هذه BECs فهمنا لمفاهيم مثل الطبيعة الموجية للمادة والسوائل الفائقة وأدت إلى تطوير تقنيات مثل مجاهر الغاز الكمومية وأجهزة المحاكاة الكمومية، على سبيل المثال لا الحصر.

من اليسار إلى اليمين: عالم الأبحاث المشارك إيان ستيفنسون؛ طالب الدكتوراه نيكولو بيجاجلي؛ طالب الدكتوراه ويجون يوان؛ الطالب الجامعي بوريس بولاتوفيتش؛ وطالب الدكتوراه سيوي تشانغ؛ والمحقق الرئيسي سيباستيان ويل. غير معروض: تيجس كرمان. الائتمان: جامعة كولومبيا

لكن الذرات، في المخطط الكبير للأشياء، بسيطة نسبيًا. إنها أجسام مستديرة ولا تحتوي عادةً على تفاعلات قد تنشأ عن القطبية. منذ أن تم تحقيق أول BECs الذري، أراد العلماء إنشاء نسخ أكثر تعقيدًا مصنوعة من الجزيئات. ولكن حتى الجزيئات ثنائية الذرة البسيطة المكونة من ذرتين من عناصر مختلفة مرتبطة ببعضها البعض أثبتت صعوبة تبريدها إلى ما دون درجة الحرارة اللازمة لتكوين BEC مناسب.

جاء الإنجاز الأول في عام 2008 عندما قامت ديبورا جين وجون يي، الفيزيائيان في معهد جيلا في بولدر، كولورادو، بتبريد غاز من جزيئات البوتاسيوم والروبيديوم إلى حوالي 350 نانو كلفن. وقد أثبتت مثل هذه الجزيئات فائقة البرودة فائدتها في إجراء عمليات المحاكاة الكمومية ودراسة التصادمات الجزيئية وكيمياء الكم في السنوات الأخيرة، ولكن لعبور عتبة BEC، كانت هناك حاجة إلى درجات حرارة أقل.

في عام 2023، أنشأ مختبر Will أول غاز شديد البرودة من الجزيء الذي اختاروه، الصوديوم والسيزيوم، باستخدام مزيج من التبريد بالليزر والتلاعب المغناطيسي، على غرار نهج جين ويي. لكي يصبح أكثر برودة، أحضروا أفران ميكروويف.

الابتكارات مع الميكروويف

تعد أجهزة الميكروويف أحد أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي ولها تاريخ طويل في كولومبيا. في ثلاثينيات القرن العشرين، قام الفيزيائي إيزيدور إسحاق رابي، الذي حصل لاحقًا على جائزة نوبل في الفيزياء، بعمل رائد في مجال الموجات الدقيقة التي أدت إلى تطوير أنظمة الرادار المحمولة جواً. قال ويل: “كان رابي من أوائل الذين سيطروا على الحالات الكمومية للجزيئات وكان رائدًا في أبحاث الموجات الدقيقة”. “إن عملنا يتبع هذا التقليد المستمر منذ 90 عامًا.”

على الرغم من أنك قد تكون على دراية بدور أفران الميكروويف في تسخين طعامك، فقد اتضح أنها يمكنها أيضًا تسهيل عملية التبريد. تميل الجزيئات الفردية إلى الاصطدام ببعضها البعض، ونتيجة لذلك، تشكل مجمعات أكبر تختفي من العينات. تستطيع الموجات الدقيقة إنشاء دروع صغيرة حول كل جزيء، مما يمنعها من الاصطدام، وهي فكرة اقترحتها كارمان، زميلتهم في هولندا. مع حماية الجزيئات من الاصطدامات المفقودة، يمكن إزالة الجزيئات الأكثر سخونة فقط من العينة بشكل تفضيلي، وهو نفس المبدأ الفيزيائي الذي يبرد فنجان قهوتك عندما تنفخ في الجزء العلوي منه، كما أوضح المؤلف نيكولو بيجاجلي. وستكون تلك الجزيئات المتبقية أكثر برودة، وستنخفض درجة الحرارة الإجمالية للعينة.

اقترب الفريق من إنشاء BEC الجزيئي في الخريف الماضي في العمل المنشور في فيزياء الطبيعة التي قدمت طريقة التدريع بالميكروويف. ولكن كان هناك حاجة إلى تطور تجريبي آخر. وعندما أضافوا مجالًا ثانيًا للموجات الميكروية، أصبح التبريد أكثر كفاءة، وتجاوز الصوديوم السيزيوم أخيرًا عتبة BEC، وهو الهدف الذي حققه مختبر ويل منذ افتتاحه في كولومبيا في عام 2018.

قال بيجاجلي، الذي تخرج بدرجة الدكتوراه في الفيزياء هذا الربيع وكان أحد الأعضاء المؤسسين للمختبر: “لقد كانت هذه خاتمة رائعة بالنسبة لي”. “لقد انتقلنا من عدم وجود مختبر حتى الآن إلى هذه النتائج الرائعة.”

بالإضافة إلى تقليل الاصطدامات، يمكن لمجال الموجات الميكروية الثاني أيضًا التحكم في اتجاه الجزيئات. وهذا بدوره وسيلة للتحكم في كيفية تفاعلها، وهو ما يستكشفه المختبر حاليًا. قال إيان ستيفنسون، المؤلف المشارك وباحث ما بعد الدكتوراه في جامعة كولومبيا: “من خلال التحكم في هذه التفاعلات ثنائية القطب، نأمل في إنشاء حالات وأطوار كمومية جديدة للمادة”.

عالم جديد لفيزياء الكم ينفتح

يعتبر يي، أحد رواد العلوم فائقة البرودة ومقره في بولدر، النتائج بمثابة قطعة علمية جميلة. وعلق قائلا: “سيكون للعمل تأثيرات مهمة على عدد من المجالات العلمية، بما في ذلك دراسة كيمياء الكم واستكشاف المواد الكمومية المترابطة بقوة”. “تتميز تجربة ويل بالتحكم الدقيق في التفاعلات الجزيئية لتوجيه النظام نحو النتيجة المرجوة، وهو إنجاز رائع في تكنولوجيا التحكم الكمي.”

وفي الوقت نفسه، فإن فريق كولومبيا متحمس للحصول على وصف نظري للتفاعلات بين الجزيئات التي تم التحقق من صحتها تجريبيا. قال كرمان: “لدينا بالفعل فكرة جيدة عن التفاعلات في هذا النظام، وهو أمر بالغ الأهمية أيضًا للخطوات التالية، مثل استكشاف فيزياء الأجسام المتعددة القطبية”. “لقد توصلنا إلى مخططات للتحكم في التفاعلات، واختبرناها نظريًا، وقمنا بتنفيذها في التجربة. لقد كانت تجربة رائعة حقًا أن نرى هذه الأفكار المتعلقة بـ “الحماية” من الموجات الدقيقة تتحقق في المختبر.”

هناك العشرات من التنبؤات النظرية التي يمكن الآن اختبارها تجريبيًا باستخدام BECs الجزيئية، والتي أشار المؤلف الأول المشارك وطالب الدكتوراه سيوي تشانغ، إلى أنها مستقرة تمامًا. يتم إجراء معظم التجارب فائقة البرودة خلال ثانية واحدة، وبعضها قصير يصل إلى بضعة أجزاء من الثانية، لكن تفاعلات BEC الجزيئية في المختبر تستمر لأكثر من ثانيتين. وقال: “سيسمح لنا ذلك بالتحقيق في الأسئلة المفتوحة في فيزياء الكم”.

تتمثل إحدى الأفكار في إنشاء بلورات اصطناعية تحتوي على بوز-آينشتاين محاصرة في شبكة بصرية مصنوعة من الليزر. وهذا من شأنه أن يتيح إجراء عمليات محاكاة كمومية قوية تحاكي التفاعلات في البلورات الطبيعية، كما أشار ويل، وهو مجال تركيز في فيزياء المادة المكثفة. تُصنع أجهزة المحاكاة الكمومية بشكل روتيني باستخدام الذرات، ولكن للذرات تفاعلات قصيرة المدى – حيث يجب أن تكون عمليًا فوق بعضها البعض – مما يحد من مدى قدرتها على نمذجة مواد أكثر تعقيدًا. وقال ويل: “إن BEC الجزيئي سيقدم المزيد من النكهة”.

وقال المؤلف الأول المشارك وطالب الدكتوراه ويجون يوان إن ذلك يشمل الأبعاد. “نود استخدام BECs في نظام ثنائي الأبعاد. عندما تنتقل من البعد الثلاثي إلى البعدين، يمكنك دائمًا توقع ظهور فيزياء جديدة. تعد المواد ثنائية الأبعاد مجالًا رئيسيًا للبحث في جامعة كولومبيا؛ إن وجود نظام نموذجي مصنوع من BECs الجزيئية يمكن أن يساعد ويل وزملائه في المادة المكثفة على استكشاف الظواهر الكمومية بما في ذلك الموصلية الفائقة والميوعة الفائقة والمزيد.

قال ويل: “يبدو أن عالمًا جديدًا تمامًا من الاحتمالات ينفتح”.

المرجع: “ملاحظة تكاثف بوز-آينشتاين للجزيئات ثنائية القطب” بقلم نيكولو بيجاجلي، ويجون يوان، وسيوي تشانغ، وبوريس بولاتوفيتش، وتيس كارمان، وإيان ستيفنسون، وسيباستيان ويل، 3 يونيو 2024، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-024-07492-z