كولومبيا تخلق حالة كمية فريدة من المادة

الفيزيائيون جامعة كولومبيا أدى نقل الجزيئات إلى حد جديد شديد البرودة إلى خلق حالة من المادة تهيمن عليها ميكانيكا الكم.

هناك BEC جديد وساخن في المدينة لا علاقة له باللحم المقدد والبيض والجبن. لن تجده في متجرك المحلي، ولكن في مكان بارد في نيويورك: مختبر الفيزيائي سيباستيان ويلي من جامعة كولومبيا، والذي تتخصص مجموعته التجريبية في دفع الذرات والجزيئات إلى درجات حرارة تزيد عن درجة مئوية. الصفر المطلق.

لأكتب طبيعةنجح مختبر ويل، بدعم من المتعاون النظري ديجس كارمان في جامعة رادبود في هولندا، في إنشاء حالة كمومية فريدة تسمى مكثفات بوز-آينشتاين (BEC) من الجزيئات.

اختراق في مكثفات بوز-آينشتاين

يتم تبريد BEC إلى خمسة نانوكلفن فقط أو حوالي -459.66 درجة فهرنهايت وثبات لمدة ثانيتين، وهو مصنوع من جزيئات الصوديوم والسيزيوم. مثل جزيئات الماء، هذه الجزيئات قطبية، مما يعني أنها تحتوي على شحنة موجبة وسالبة. وأشار ويل إلى أن التوزيع غير المتوازن للشحنة الكهربائية يسهل التفاعلات طويلة المدى، مما يجعل الفيزياء مثيرة للاهتمام للغاية.

يتطلع مختبر ويل إلى مواصلة تجارب بوز-آينشتاين الجزيئية، والتي تتضمن استكشاف مجموعة متنوعة من الظواهر الكمومية، بما في ذلك نوع جديد من الميوعة الفائقة، وهي حالة من المادة تتدفق دون التعرض لأي احتكاك، ويأملون في تحويل بوز-آينشتاين الخاصة بهم إلى محاكيات يمكنها إعادة إنتاجها. الخصائص الكمومية المثيرة للاهتمام للمواد الأكثر تعقيدًا، مثل البلورات الصلبة.

بمساعدة الموجات الدقيقة، أنشأ فيزيائيو جامعة كولومبيا حالة فريدة من المادة تسمى مكثفات بوز-آينشتاين 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 الحقيقية وحتى تطوير محاكاة كمومية قوية”. “إنه إنجاز مذهل، لكنه في الحقيقة مجرد البداية.”

إنه حلم أصبح حقيقة بالنسبة لشركة Will Labs وعقود من الزمن في صنع مجتمع أبحاث الذهب الفائق الأكبر.

جزيئات فائقة البرودة، قرن من التصنيع

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 ذات الخصائص والسلوكيات المشتركة التي تمليها قوانين ميكانيكا الكم سوف تتجمع في كرة واحدة كبيرة تبرد. إذا أمكن إنشاء BECs، فإنها ستوفر للباحثين منصة أكثر جاذبية لدراسة ميكانيكا الكم من الذرات أو الجزيئات الفردية.

لقد مر حوالي 70 عامًا منذ تلك التنبؤات النظرية الأولى، ولكن تم إنشاء أول BECs الذرية في عام 1995. تم الاعتراف بهذا الإنجاز بالحصول على جائزة نوبل في الفيزياء عام 2001، في الوقت الذي كان ويل يبدأ فيه دراسته للفيزياء في جامعة ماينز. في ألمانيا. تقوم المختبرات الآن بتصنيع بوز-آينشتاين ذرية من أنواع مختلفة من الذرات. وقد وسعت هذه BECs فهمنا لمفاهيم مثل الطبيعة الموجية للمادة والسوائل الفائقة، مما أدى إلى تطوير تقنيات مثل مجاهر الغاز الكمومية وأجهزة المحاكاة الكمومية.

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 كروية ولا تحتوي بشكل عام على تفاعلات يمكن أن تنشأ عن الاستقطاب. منذ اكتشاف أول تفاعلات بوز-آينشتاين الذرية، أراد العلماء إنشاء نسخ أكثر تعقيدًا من الجزيئات. ولكن حتى الجزيئات ثنائية الذرة البسيطة المكونة من ذرتين من عناصر مختلفة كان من الصعب تبريدها إلى ما دون درجة الحرارة اللازمة لتكوين BEC مناسب.

جاء الإنجاز الأول في عام 2008 عندما قام الفيزيائيان ديبورا جين وجون يي في زيلا في بولدر، كولورادو، بتبريد غاز من جزيئات البوتاسيوم والروبيديوم إلى حوالي 350 نانوكلفن. 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، تم إنشاء Will Labs أول غاز شديد البرودة على غرار نهج جين وييه، يستخدم مزيج من التبريد بالليزر والتلاعب المغناطيسي، الصوديوم والسيزيوم، للجزيء المحدد. للحصول على البرد، أحضروا ميكروويف.

الابتكارات مع أفران الميكروويف

تعد أجهزة الميكروويف أحد أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي ولها تاريخ طويل في كولومبيا. في ثلاثينيات القرن العشرين، كان الفيزيائي إيزيدور إسحاق رابي، الحائز على جائزة نوبل، رائدًا في استخدام الموجات الميكروية، مما أدى إلى تطوير أنظمة الرادار المحمولة جواً. وقال ويل: “كان روبي من أوائل الذين سيطروا على الحالات الكمومية للجزيئات ورائداً في أبحاث الموجات الدقيقة”. “إن عملنا يتبع هذا التقليد الذي دام 90 عامًا.”

على الرغم من أنك قد تكون على دراية بدور أفران الميكروويف في تسخين طعامك، إلا أنها يمكنها أيضًا تسهيل عملية التبريد. تميل الجزيئات الفردية إلى الاصطدام ببعضها البعض، ونتيجة لذلك، تشكل مجمعات كبيرة تختفي من العينات. يمكن لأشعة الميكروويف إنشاء دروع صغيرة حول كل جزيء، مما يمنعها من الاصطدام، كما اقترح زميلهم كارمان في هولندا. مع حماية الجزيئات من الاصطدامات المفقودة، يمكن فقط إزالة الجزيئات الأكثر سخونة بشكل تفضيلي من العينة – وهو نفس المبدأ الفيزيائي الذي يبرد فنجان قهوتك عندما تنفخ عليه، كما يوضح المؤلف نيكولو بيجاجلي. سوف تبرد تلك الجزيئات المتبقية، وستنخفض درجة الحرارة الإجمالية للعينة.

اقترب الفريق من إنشاء BEC جزيئي في العمل المنشور في الخريف الماضي الفيزياء الطبيعية قدم نظام التدريع الميكروويف. ولكن كانت هناك حاجة إلى تطور تجريبي آخر. وعندما أضافوا مجالًا ثانيًا للموجات الدقيقة، أصبح التبريد أكثر كفاءة، وتجاوز الصوديوم السيزيوم أخيرًا عتبة BEC، وهو الهدف الذي سعى إليه مختبر ويل منذ افتتاحه في كولومبيا في عام 2018.

قال بيجاجلي، الذي حصل على درجة الدكتوراه في الفيزياء هذا الربيع وكان أحد الأعضاء المؤسسين للمختبر: “إنها نهاية رائعة بالنسبة لي”. “لم نقم بعد بإعداد المختبر لهذه النتائج المذهلة.”

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

عالم جديد ينفتح أمام فيزياء الكم

يرى يه، وهو رائد في علم الذهب الفائق القائم على بولدر، أن النتائج علم جميل. وعلق قائلاً: “سيكون لهذا العمل آثار مهمة على العديد من المجالات العلمية، بما في ذلك دراسة كيمياء الكم ودراسة المواد الكمومية المترابطة بقوة”. “تتضمن تجربة ويل التحكم الدقيق في التفاعلات الجزيئية لتوجيه النظام نحو النتيجة المرجوة، وهو إنجاز رائد في تكنولوجيا التحكم الكمي.”

وفي الوقت نفسه، فإن فريق كولومبيا متحمس للحصول على تفسير نظري للتفاعلات بين الجزيئات التي تم التحقق من صحتها تجريبيا. وقال كرمان: “لدينا فكرة جيدة عن التفاعلات في هذا النظام، وهو أمر مهم للخطوات التالية، مثل استكشاف فيزياء الأجسام المتعددة ثنائية القطب”. “لقد توصلنا إلى مخططات للتحكم في التفاعلات، واختبرناها نظريًا وقمنا بتنفيذها تجريبيًا. لقد كانت تجربة مذهلة حقًا أن نرى هذه الأفكار الخاصة بـ “درع” الموجات الدقيقة تتحقق في المختبر.

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

إحدى الأفكار هي إنشاء بلورات اصطناعية تحتوي على بوز-آينشتاين محاصرة في شبكات بصرية مصنوعة بواسطة الليزر. وأشار ويل إلى أن هذا سيمكن من إجراء عمليات محاكاة كمومية قوية تحاكي التفاعلات في البلورات الطبيعية، وهي منطقة مركزية في فيزياء المادة المكثفة. عادة ما تكون أجهزة المحاكاة الكمومية مصنوعة من الذرات، لكن الذرات لديها تفاعلات قصيرة المدى – يجب أن تكون فوق بعضها البعض في الممارسة العملية – مما يحد من مدى قدرتها على نمذجة الأجسام الأكثر تعقيدًا. وقال ويل: “إن BEC الجزيئي سيقدم المزيد من النكهة”.

وقال ويجون يوان، المؤلف الأول المشارك وطالب الدكتوراه، إن ذلك يشمل البعد. “نريد استخدام BECs في نظام ثنائي الأبعاد. وقال: «عندما تنتقل من البعد الثلاثي إلى البعدين، يمكنك دائمًا توقع ظهور فيزياء جديدة». تعد المواد ثنائية الأبعاد مجالًا مهمًا للبحث في جامعة كولومبيا؛ إن وجود نظام نموذجي يتكون من BECs الجزيئية سيساعد 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: نيكولو بيكاجلي، ويجون يوان، شيه تشانغ، بوريس بولادوفيتش، ديجس كارمان، إيان ستيفنسون وسيباستيان ويل، 3 يونيو 2024، “ملاحظة تكثيف بوز-آينشتاين ثنائي القطب للجزيئات”. طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-024-07492-z