دانشمندان اولین تصاویر از اتم های دارای برد آزاد را ضبط می کنند

فیزیکدانان در انستیتوی فناوری ماساچوست (MIT) اولین عکسهای اتم های “با دامنه آزاد” را گرفته اند. دستاورد پیشگامانه به دانشمندان کمک می کند تا پدیده های کوانتومی را در فضای دنیای واقعی تجسم کنند.

عکس های جدید و تحقیقات مرتبط با این هفته در مجله علمی منتشر شده است نامه های بررسی فیزیکیبرای حل اتم های تک و با برد آزاد ، به تکنیک های تصویربرداری جدید متکی است. سیستم “میکروسکوپ حل شده با اتم” این تیم از “شبکه ای از نور استفاده می کند که به طور خلاصه اتمها را در آهنگ های خود یخ می زند” ، و سپس از لیزرهای دقیقاً تنظیم شده برای روشن کردن اتم های معلق استفاده می کند ، که باعث می شود “تصویری از موقعیت های آنها قبل از اینکه اتم ها به طور طبیعی از بین بروند” ، “انتشار مطبوعات MIT ، توضیح می دهد.

فیزیکدانان از تکنیک جدید برای تجسم ابرهای انواع اتم ها ، از جمله اتم های معروف به “بوزون” استفاده کردند که به لطف یک پدیده کوانتومی به شکل موج جمع شدند. این تیم همچنین “فرمیون” را به طور فعال در فضای آزاد مشاهده کرد.

مارتین زویرلین ، استاد توماس A. فرانک فیزیک در MIT می گوید: “ما می توانیم در این ابرهای جالب اتم ها و آنچه آنها در رابطه با یکدیگر انجام می دهند ، اتم های مجرد را ببینیم.

دو گروه دیگر با استفاده از تکنیک های تصویربرداری مشابه ، نتایج خود را در شماره مجله جدید نیز گزارش دادند ، از جمله تیمی به سرپرستی برنده جایزه نوبل ولفگانگ کتتر ، استاد جان دی مک آرتور فیزیک در MIT ، و گروهی از Supérieure école Normale در پاریس به رهبری Tarik Yefsah. گروه Ketterle به همبستگی های زوج پیشرفته ای در بین بوزون ها نگاه کرد ، در حالی که تیم Yefsah Fermions غیر فعال را تصویر می کرد.

به راحتی می توان تصور کرد که با توجه به اندازه بسیار کوچک آن ، عکاسی از یک اتم واحد چقدر چالش برانگیز است. یک اتم منفرد تقریباً یک دهم از قطر نانومتر است. یا به عبارت دیگر ، یک میلیون ضخامت یک موهای یک میلیون و یک میلیون و یک میلیونth.

دانشمندان قبلاً به لطف تکنیک هایی مانند تصویربرداری جذب ، توانسته اند اتم ها را تصویر کنند ، جایی که یک لیزر روی ابر اتم می درخشد و سایه ها را بر روی یک سنسور تصویر می اندازد. با این حال ، این تکنیک ها ساختار و شکل کلی ابر اتم ها را نشان می دهد ، نه یک اتم فردی.

زویرلین درباره تصویربرداری جذب می گوید: “این مانند دیدن ابر در آسمان است ، اما نه مولکول های آب فردی که ابر را تشکیل می دهند.”

Zwierlein و همکارانش از تکنیک بسیار متفاوتی استفاده کردند. میکروسکوپ حل شده با اتم نیاز به ابر اتمهایی دارد که توسط یک تله پرتو لیزر در فضا نگهداری می شوند. در این تله ، اتمها هنوز هم می توانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند ، که برای درک پدیده های کوانتومی در بازی بسیار حیاتی است. یک شبکه از نور ، همانطور که در ابتدا گفته شد ، سپس اتمها را در موقعیت های خود منجمد می کند. سرانجام ، لیزر دوم وارد صحنه می شود و اتم های معلق را روشن می کند. فلورسانس آنها موقعیت خود را به یک سنسور بسیار تخصصی نشان می دهد.

زویرلین می گوید: “سخت ترین قسمت جمع آوری نور از اتم ها بدون جوشاندن آنها از شبکه نوری بود.” “شما می توانید تصور کنید که اگر به این اتم ها شعله ور شده اید ، آنها آن را دوست ندارند. بنابراین ، ما در طی سالها ترفندهایی را در مورد چگونگی انجام این کار آموخته ایم. و این اولین بار است که ما این کار را در داخل انجام می دهیم ، جایی که می توانیم به طور ناگهانی حرکت اتم ها را یخ بزنیم و آنها را به شدت در تعامل ببینیم ، و یکی پس از دیگری.

نتایج تصویربرداری جدید ده ها سال در ساخت پروفسور Ketterle بوده است. وی در سال ۲۰۰۱ به عنوان بخشی از تیمی که اولین کسی بود که میعانات بوز-انیشتین اتم های سدیم را تولید کرد ، در سال ۲۰۰۱ جایزه نوبل فیزیک را به دست آورد ، این وضعیتی است که همه بوزون ها دارای یک حالت کوانتومی متحد هستند. تیم Ketterle اکنون تصاویر جدیدی از بوزون ها را ضبط کرد.

گروه Zwierlein اتم های سدیم فردی را در ابر اتم تصویربرداری کرد و اتم هایی را که با همان موج مکانیکی کوانتومی به اشتراک می گذارند ، مشاهده کردند. ویژگی موج مانند ، که به نام کاشف آن ، لوئیس د بروگلی ، به نام “لوئیس دی بروگلی” نامگذاری شده است ، به دوران مدرن مکانیک کوانتومی کمک کرد.

Zwierlein ادامه می دهد: “ما از این طبیعت مانند موج خیلی بیشتر در مورد جهان می فهمیم.” “اما مشاهده این اثرات کوانتومی و مانند موج بسیار دشوار است. با این حال ، در میکروسکوپ جدید ما ، می توانیم این موج را مستقیماً تجسم کنیم.”

تیم MIT ، برای اولین بار درجا ، شاهد بوزون ها بود که یک کوانتومی واحد را به اشتراک می گذاشتند ، با همبستگی De Broglie موج. این مشاهدات نشان می دهد پدیده های دنیای فیزیکی واقعی و فیزیکی که قبلاً فقط از طریق ریاضیات خالص نشان داده شده بودند.

ریچارد جی فلچر ، نویسنده مطالعه توضیح می دهد: “این نوع جفت شدن پایه و اساس ساخت و ساز ریاضی است که مردم برای توضیح آزمایشات ارائه شده اند. اما وقتی تصاویر مانند اینها را می بینید ، در یک عکس نشان می دهد ، شیئی که در دنیای ریاضی کشف شده است.” “بنابراین این یک یادآوری بسیار خوب است که فیزیک مربوط به چیزهای جسمی است. این واقعی است.”

آنها شروع به استفاده از تکنیک جدید تصویربرداری خود برای مشاهده پدیده های عجیب و غریب تر ، مانند “فیزیک تالار کوانتومی” ، که در هنگام تعامل الکترون ها در هنگام حضور در یک میدان مغناطیسی ، رفتارهای همبسته را نشان می دهند.

Zwierlein امیدوار است: “این جایی است که تئوری واقعاً مودار می شود-جایی که مردم به جای اینکه بتوانند یک تئوری تمام عیار را بنویسند ، شروع به ترسیم تصاویر می کنند زیرا آنها نمی توانند آن را به طور کامل حل کنند.” “اکنون می توانیم تأیید کنیم که آیا این کارتون های کشورهای تالار کوانتومی در واقع واقعی هستند. زیرا آنها کشورهای بسیار عجیب و غریب هستند.”

اعتبار: مقاله کامل تحقیق اکنون در دسترس است مجلات بررسی فیزیکیبشر مقاله ، “اندازه گیری همبستگی جفت در گازهای بوز و فرمی از طریق میکروسکوپ حل شده با اتم” توسط Ruixiao Yao ، Sungjae Chi ، Mingxuan Wang ، Richard J. Fletcher و Martin Zwierlein نوشته شده است.