يقول علماء الفيزياء إنهم صنعوا ليزرًا ذريًا يمكنه العمل “ إلى الأبد ”

سمح اختراق جديد للفيزيائيين بإنشاء شعاع من الذرات يتصرف بنفس طريقة الليزر ، ويمكن نظريًا أن يستمر “إلى الأبد”.

قد يعني هذا أخيرًا أن التكنولوجيا في طريقها إلى التطبيق العملي ، على الرغم من وجود قيود كبيرة لا تزال سارية.

ومع ذلك ، فهذه خطوة كبيرة إلى الأمام لما يُعرف باسم “الليزر الذري” – وهو شعاع مصنوع من الذرات يسير كموجة واحدة يمكن استخدامها يومًا ما لاختبار الثوابت الفيزيائية الأساسية وتكنولوجيا الهندسة الدقيقة.

ليزر الذرة موجود منذ دقيقة. تم إنشاء أول ليزر ذري بواسطة فريق من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا علماء الفيزياء في عام 1996. يبدو هذا المفهوم بسيطًا جدًا: تمامًا كما يتكون الليزر التقليدي القائم على الضوء من فوتونات تتحرك مع موجاتها متزامنة ، فإن الليزر المصنوع من الذرات يتطلب طبيعتها الشبيهة بالموجات لتتماشى قبل أن يتم خلطها كحزمة.

ومع ذلك ، كما هو الحال مع العديد من الأشياء في العلم ، من الأسهل تصور المفاهيم بدلاً من الإدراك. في جذر ذرة الليزر هو أ حالة المادة يسمى ب مكثف بوز-آينشتاين، أو BEC.

يتم إنشاء BEC عن طريق تبريد سحابة من البوزونات إلى مجرد كسر فوق الصفر المطلق. في مثل هذه درجات الحرارة المنخفضة ، تغرق الذرات إلى أدنى حالة طاقة ممكنة دون توقف تمامًا.

عندما تصل إلى هذه الطاقات المنخفضة ، لا يمكن للخصائص الكمومية للجسيمات أن تتداخل مع بعضها البعض ؛ إنها تقترب بما يكفي من بعضها البعض لنوع من التداخل ، مما ينتج عنه سحابة عالية الكثافة من الذرات تتصرف مثل “ذرة عظمى” واحدة أو موجة مادة.

ومع ذلك ، فإن BECs هي نوع من التناقض. إنها هشة للغاية. حتى الضوء يمكن أن يدمر BEC. بالنظر إلى أن الذرات في BEC هي مبردة باستخدام الليزر البصري، هذا يعني عادةً أن وجود BEC سريع الزوال.

الليزر الذري الذي تمكن العلماء من تحقيقه حتى الآن كان نابضًا ، وليس متنوعًا ؛ وتنطوي على إطلاق نبضة واحدة فقط قبل الحاجة إلى إنشاء BEC جديد.

من أجل إنشاء BEC مستمر ، أدرك فريق من الباحثين في جامعة أمستردام في هولندا شيئًا مطلوبًا للتغيير.

“في التجارب السابقة ، تم التبريد التدريجي للذرات في مكان واحد. في إعدادنا ، قررنا نشر خطوات التبريد ليس بمرور الوقت ، ولكن في الفضاء: نجعل الذرات تتحرك بينما تتقدم من خلال خطوات التبريد المتتالية ،” أوضح الفيزيائي فلوريان شريك.

“في النهاية ، تصل الذرات شديدة البرودة إلى قلب التجربة ، حيث يمكن استخدامها لتكوين موجات مادة متماسكة في BEC. ولكن أثناء استخدام هذه الذرات ، فإن الذرات الجديدة في طريقها بالفعل لتجديد BEC. في بهذه الطريقة ، يمكننا الحفاظ على استمرار العملية – بشكل أساسي إلى الأبد “.

“قلب التجربة” هذا هو المصيدة التي تحمي BEC من الضوء ، وهو خزان يمكن تجديده باستمرار طوال فترة التجربة.

ومع ذلك ، فإن حماية BEC من الضوء الناتج عن ليزر التبريد ، على الرغم من بساطتها من الناحية النظرية ، كانت مرة أخرى أكثر صعوبة من الناحية العملية. لم تكن هناك عقبات فنية فحسب ، بل كانت هناك أيضًا عقبات بيروقراطية وإدارية.

“عند الانتقال إلى أمستردام في عام 2013 ، بدأنا بقفزة إيمانية ، وأموال مقترضة ، وغرفة فارغة ، وفريق ممول بالكامل من المنح الشخصية ،” قال الفيزيائي تشون تشيا تشين، الذي قاد البحث.

“بعد ست سنوات ، في الساعات الأولى من صباح عيد الميلاد 2019 ، كانت التجربة أخيرًا على وشك العمل. كانت لدينا فكرة إضافة شعاع ليزر إضافي لحل مشكلة فنية أخيرة ، وعلى الفور أظهرت كل صورة نلتقطها BEC ، أول موجة مستمرة BEC “.

الآن وقد تحقق الجزء الأول من ليزر الذرة المستمر – جزء “الذرة المستمرة” – قال الفريق إن الخطوة التالية هي الحفاظ على شعاع ذري ثابت. يمكنهم تحقيق ذلك عن طريق نقل الذرات إلى حالة غير محصورة ، وبالتالي استخراج موجة مادة منتشرة.

قالوا إنهم استخدموا ذرات السترونشيوم ، وهو خيار شائع لـ BECs ، فإن الاحتمال يفتح فرصًا مثيرة. يمكن استخدام قياس التداخل الذري باستخدام السترونتيوم BECs ، على سبيل المثال ، لإجراء تحقيقات في النسبية وميكانيكا الكم ، أو الكشف عن موجات الجاذبية.

“تجربتنا هي نظير موجة المادة لليزر البصري ذي الموجة المستمرة مع مرايا تجويف عاكسة بالكامل ،” كتب الباحثون في ورقتهم.

“هذا العرض التوضيحي لإثبات المبدأ يوفر قطعة جديدة مفقودة حتى الآن من بصريات الذرة ، مما يتيح بناء أجهزة موجة متماسكة مستمرة.”

تم نشر البحث في طبيعة سجية.