نامرئی کردن ابر اتمی با تغییر دما و چگالی!

فیزیکدانان اثبات کردند که اگر اتم‌ها را به شدت سرد و فشرده کنیم، قابلیت پراکنده کردن نور را از دست داده و به نوعی نامرئی می‌شوند.

کد خبر: ۱۲۶۳۸۲۹

تاریخ: ۰۱ آذر ۱۴۰۰ - ۱۰:۱۹

به گزارش خبرگزاری دانا و به نقل از ساینس‌دیلی، یافته‌ها نشان می‌دهد که "اصل طرد پاولی" نه تنها در الکترون‌ها بلکه در اتم‌ها نیز وجود دارد.
الکترون‌های یک اتم در لایه‌هایی از انرژی قرار دارند. هر الکترون مکان به خصوصی دارد و اگر همه‌ی لایه‌ها پر شده‌ باشند نمی‌تواند به لایه‌ پایین‌تر منتقل شود. این پدیده در فیزیک اصل طرد پاولی نام دارد و لایه‌های الکترونی، جدول تناوبی عناصر و ثبات جهان مادی را توضیح می‌دهد.

اکنون محققان موسسه فناوری ماساچوست(MIT) شاهد اصل پاولی به روشی کاملا جدید بوده‌اند. آن‌ها دریافتند که این اصل بر نحوه‌ی پراکندگی نور توسط ابرهای اتمی اثر می‌گذارد.

به طور معمول زمانی که فوتون‌های نور به ابرهای اتمی نفوذ می‌کنند، ذرات آنها به هر سمتی حرکت کرده و نور را در جهات مختلف پراکنده می‌کنند. این موضوع باعث قابل رویت شدن ابرهای اتمی می‌شود. با این حال محققان موسسه فناوری ماساچوست دریافتند که وقتی اتمها بسیار سرد و فشرده می‌شوند اثر پاولی شروع به کار می‌کند و ذرات به طور قابل توجهی فضای کمتری برای پراکنده کردن نور دارند، در نتیجه فوتون‌ها بدون پراکنده شدن از میان آنها عبور می‌کنند.

در این آزمایش فیزیکدانان اثر پاولی را در ابری از اتم لیتیوم مشاهده کردند. با افزایش هرچه بیشتر فشار و سرما اتم‌ها نور کمتری پراکنده می‌کردند و در نتیجه به تدریج کم‌ نورتر می‌شدند.

محققان معتقدند اگر شرایط را شدیدتر کنند و دما را تا صفر مطلق کاهش دهند، ابر اتمی به طور کلی نامرئی می‌شود.

نتایج تحقیقات این گروه که در مجله‌ی "ساینس"(Science) منتشر شده است، نشان‌دهنده اثر پدیده پاولی بر پراکندگی نور توسط اتم‌ها است. این اثر ۳۰ سال قبل پیش‌بینی شده بود اما تاکنون مشاهده نشده بود.

"ولفگانگ کترل"(Wolfgang Ketterle) استاد فیزیک MIT می‌گوید: اصل طرد پاولی به طور کلی اثبات شده است و برای ثبات جهان ضروری است. آنچه ما مشاهده کردیم گونه‌ای خاص و ساده از این اصل بود که مانع فعالیت طبیعی اتم‌ها می‌شود. این اولین مشاهده دقیق از وجود این اثر است و پدیده‌ای جدید در فیزیک را نشان می‌دهد.

زمانی که "کترل" به عنوان محقق فوق‌ دکتری ۳۰ سال قبل در MIT آغاز به کار کرد، "دیوید پریچارد" راهنمای او، پیش‌بینی کرده بود که اصل طرد پاولی نحوه‌ی پراکنده کردن نور توسط اتم‌ها را تغییر می‌دهد.

"کترل" می‌گوید: اتم‌ها تنها زمانی نور را پراکنده می‌کنند که بتوانند نیرو را با انتقال به لایه‌ای دیگر جذب کنند. اگر تمامی فضاها پر باشد این قابلیت در آنها از بین می‌رود و فوتون‌ها می‌توانند از اتم‌ها عبور کنند.

او افزود: این پدیده پیش از این هرگز رویت نشده بود زیرا انسان‌ها قادر به سرد و فشرده کردن ابرهای اتمی تا این اندازه نبودند.

طی سال‌های اخیر فیزیکدانان از جمله گروه "کترل" روش‌های مغناطیسی و مبتنی بر لیزری ایجاد کرده‌اند که به وسیله آن‌ها می‌توان دمای‌ اتم‌ها را به میزان بسیار زیادی کاهش داد بنابراین چالش اصلی افزایش چگالی بود.

"کترل" می‌گوید:‌ اگر چگالی بالا نباشد اتم‌ها قادرند با جابه‌جا شدن نور را پراکنده کنند.

در این تحقیقات جدید، او و همکارانش از روشی که پیش از این برای منجمد کردن ابر فرمیونی ایجاد کرده بودند، استفاده کردند. در این مورد ابر اتمی مورد آزمایش ایزوتوپ‌های خاص اتم لیتیوم بود که سه الکترون، سه پروتون و سه نوترون دارند. آن‌ها دمای ابری از اتم‌های لیتیوم را تا ۲۰ میکروکلوین کاهش دادند.

"یوکن لو"(Yukun Lu) از محققان این مقاله می‌گوید: ما از لیزر برای فشرده کردن اتم‌های فوق سرد استفاده کردیم و چگالی اتم‌ها را به حدود یک کوادریلیون در سانتی‌متر مکعب رساندیم.

محققان سپس پرتو لیزری دیگری به این ابر اتمی تاباندند. در نهایت آن‌ها از یک لنز و دوربین برای شمارش فوتون‌هایی که پراکنده شدند، استفاده کردند.

"مارگالیت"(Margalit) از دیگر محققان این مطالعه می‌گوید: ما موفق به شمردن چندصد اتم شدیم که بسیار هیجان‌انگیز است. فوتون میزان بسیار کمی از نور است اما تجهیزات ما به قدری حساس است که می‌تواند آن‌ را تشخیص دهد.

با کاهش دما و افزایش چگالی، اتم‌ها نور کمتری منتشر می‌کنند. در سردترین حالت اتم‌ها ۳۸ درصد کم‌نور تر شدند.

به گفته‌ی کترل، اکنون که محققان موفق به اثبات اثر پاولی بر عملکرد اتم‌ها شده‌اند،  این دانش بنیادی می‌تواند برای تولید مواد سرکوب کننده نور به طور مثال برای حفظ داده در رایانه‌های کوانتومی مورد استفاده قرار بگیرد.