سردترین ماده جهان با استفاده از لیزرساخته شد

در آزمایشگاهی در کیوتوی ژاپن، محققان در حال کار روی آزمایش‌های بسیار جالبی هستند. تیمی از دانشمندان دانشگاه کیوتو و دانشگاه رایس در هیوستون تگزاس، ماده را تا حدود یک میلیاردم درجه صفر مطلق (دمای زمانی که تمام حرکت متوقف می‌شود) سرد و آن را به سردترین ماده در کل کیهان تبدیل کرده‌اند. به گفته دانشگاه رایس، این مطالعه دریچه‌ای را به قلمروی ناشناخته مغناطیس کوانتومی باز می‌کند.

کادن هازارد، استاد دانشگاه رایس، نویسنده تئوری مربوطه این مطالعه و عضو این پژوهش، گفت: «مگر اینکه تمدن بیگانه در حال حاضر آزمایش‌هایی مانند این انجام دهد، هر زمان که این آزمایش در دانشگاه کیوتو اجرا می‌شود، سردترین فرمیون‌های جهان را می‌سازد. فرمیون‌ها ذرات کمیاب نیستند. آن‌ها شامل چیز‌هایی مانند الکترون هستند و یکی از دو نوع ذره‌ای هستند که همه مواد از آن‌ها ساخته شده‌اند.

تیم کیوتو به سرپرستی نویسنده مطالعه یوشیرو تاکاهاشی از لیزر برای خنک کردن فرمیون‌ها (یا ذراتی مانند پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌هایی که عدد کوانتومی اسپین آن‌ها نصف عدد صحیحی مانند ۱/۲ یا ۳/۲ است) از اتم‌های ایتربیوم تا حدود یک استفاده کردند. میلیاردم درجه صفر مطلق تقریبا ۳ میلیارد بار سردتر از فضای بین ستاره‌ای است. این ناحیه از فضا هنوز توسط پس‌زمینه مایکروویو کیهانی (CMB) یا پس‌تابش تشعشعات بیگ بنگ در حدود ۱۳.۷ میلیارد سال پیش گرم می‌شود. سردترین منطقه شناخته شده فضا، سحابی بومرنگ است که دمای آن یک درجه بالاتر از صفر مطلق است و ۳۰۰۰ سال نوری از زمین فاصله دارد.

درست مانند الکترون‌ها و فوتون‌ها، اتم‌ها تابع قوانین دینامیک کوانتومی هستند، اما رفتار‌های کوانتومی آن‌ها تنها زمانی قابل توجه می‌شوند که تا کسری از درجه صفر مطلق سرد شوند. بیش از ۲۵ سال است که از لیزر برای خنک کردن اتم‌ها برای مطالعه خواص کوانتومی اتم‌های فوق سرد استفاده می‌شود.

هازارد می‌گوید: «بازده این سرماخوردگی این است که فیزیک واقعا تغییر می‌کند. فیزیک شروع به مکانیک کوانتومی‌تر شدن می‌کند و به شما امکان می‌دهد پدیده‌های جدیدی را ببینید.

در این آزمایش، از لیزر برای خنک کردن ماده با توقف حرکت ۳۰۰۰۰۰ اتم ایتربیوم در یک شبکه نوری استفاده شد. این مدل هوبارد را شبیه سازی می‌کند، یک فیزیک کوانتومی که اولین بار توسط فیزیکدان نظری جان هوبارد در سال ۱۹۶۳ ارائه شد.

این مدل به اتم‌ها اجازه می‌دهد تا ویژگی‌های کوانتومی غیرمعمول خود را نشان دهند که شامل رفتار جمعی بین الکترون‌ها کمی شبیه گروهی از هوادارانی است که در یک بازی فوتبال حرکت «موج» را انجام می‌دهند.

هازارد می‌گوید: «دماسنجی که آن‌ها در کیوتو استفاده می‌کنند، یکی از موارد مهمی است که توسط نظریه ما ارائه شده است. با مقایسه اندازه گیری‌های آن‌ها با محاسبات ما، می‌توانیم دما را تعیین کنیم. دمای ثبت شده به لطف فیزیک جدید سرگرم کننده که با تقارن بسیار بالای سیستم ارتباط دارد به دست می‌آید».

یکی از نویسندگان مطالعه اضافه کرد: هدف مدل هوبارد این است که مواد اولیه مورد نیاز برای چیزی که یک ماده جامد را به فلز، عایق، آهنربا یا ابررسانا تبدیل می‌کند، به دست آورد. یکی از سؤالات جالبی که آزمایش‌ها می‌توانند بررسی کنند، نقش تقارن است. داشتن قابلیت مهندسی آن در آزمایشگاه فوق‌العاده است. اگر بتوانیم این را بفهمیم، ممکن است ما را به سمت ساخت مواد واقعی با خواص جدید و دلخواه راهنمایی کند.

این تیم در حال حاضر روی توسعه اولین ابزاری کار می‌کند که قادر به اندازه گیری رفتاری است که یک میلیاردم درجه بالاتر از صفر مطلق است.

هازارد معتقد است: این سیستم‌ها بسیار عجیب و غریب و خاص هستند، اما امید این است که با مطالعه و درک آن‌ها، بتوان اجزای اصلی را که باید در مواد واقعی وجود داشته باشند، شناسایی کرد.