اولین تصاویر از اتم‌های آزاد در حال حرکت ثبت شد!

برای نخستین بار در تاریخ فیزیک، دانشمندان موفق شده‌اند از اتم‌هایی که به‌صورت آزاد و بدون هیچ‌گونه محدودیتی در فضا حرکت می‌کنند، تصویربرداری کنند؛ دستاوردی که امکان مشاهده دقیق‌تر پدیده‌های کوانتومی پیش‌بینی‌شده را برای فیزیک‌دانان فراهم می‌کند.

به گزارش ساینس آلارت، این دستاورد علمی را می‌توان به گرفتن عکس از پرنده‌ای نادر در حیاط خانه تشبیه کرد؛ پرنده‌ای که تاکنون فقط از حضورش شنیده می‌شد و غذا‌های دانه‌خوری‌اش هر روز کمتر می‌شد، اما هیچ‌کس آن را ندیده بود. با این تفاوت که این‌بار به جای پرنده‌شناسی، با دنیای پیچیده فیزیک کوانتومی سر و کار داریم.

محققان آمریکایی پشت این پژوهش، یک سامانه تصویربرداری جدید با عنوان «میکروسکوپ اتم‌-تفکیک» توسعه داده‌اند که ابتدا اتم‌ها را در یک ابر محدود محصور می‌کند؛ جایی که آنها می‌توانند به‌صورت آزادانه حرکت کنند. سپس با استفاده از نور لیزر، موقعیت این اتم‌ها را در لحظه ثابت کرده و آنها را ثبت می‌کنند.

به گفته مارتین زویرلاین، فیزیک‌دان مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT): «ما اکنون می‌توانیم تک‌اتم‌ها را در این ابر‌های جالب مشاهده کنیم و ببینیم آنها چگونه با یکدیگر تعامل دارند، که بسیار زیباست.»

مشاهده تعامل اتم‌ها در این مقیاس به معنای آن است که می‌توان ماده را در کوچک‌ترین مقیاس ممکن، یعنی در قلمرو کوانتومی، مورد مطالعه قرار داد. محققان با بهره‌گیری از این فناوری نوین، موفق شده‌اند چند الگوی نادر اتمی را از نزدیک بررسی کنند.

از جمله این الگو‌ها می‌توان به حالت چگالش بوز-اینشتین (Bose-Einstein Condensate) اشاره کرد؛ حالتی که در آن بوزون‌ها گرد هم می‌آیند و با فرمیون‌ها جفت می‌شوند. این یافته‌ها کمک شایانی به درک رفتار و تغییرات اتم‌ها در ابعاد بسیار کوچک می‌کند.

در نمونه‌ای دیگر، تیم پژوهشی موفق شده تصویری مستقیم از «موج دو-بروی» ثبت کند؛ مفهومی که به افتخار فیزیک‌دان فرانسوی، لویی دو بروی، نام‌گذاری شده است و در آن بوزون‌ها به‌صورت گروهی با هم جمع می‌شوند. این نظریه از پایه‌های شکل‌گیری فیزیک مدرن به‌شمار می‌رود.

هرچند این پدیده‌ها در گذشته نیز مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، اما اکنون امکان تحلیل بسیار دقیق‌تر آنها فراهم شده است؛ آن‌هم در حدی که می‌توان موقعیت و رفتار هر اتم را به‌صورت جداگانه مورد مشاهده و اندازه‌گیری قرار داد.

زویرلاین در ادامه توضیح می‌دهد: «در گذشته، فناوری‌های موجود فقط امکان مشاهده کلی شکل و ساختار یک ابر اتمی را فراهم می‌کردند، اما نه خود اتم‌ها را. مثل اینکه بتوانید ابری را در آسمان ببینید، اما قطرات مجزای آب تشکیل‌دهنده آن را نبینید.»

ردیابی و مشاهده مستقیم اتم‌ها به‌شدت دشوار است، چراکه این ذرات ابعادی در حدود یک‌دهم نانومتر دارند؛ یعنی تقریباً یک میلیون بار کوچک‌تر از ضخامت موی انسان. به همین دلیل، استفاده از سامانه‌های تصویربرداری بسیار پیچیده ضروری است.

اکنون که پژوهشگران توانسته‌اند ثابت کنند این روش کارایی دارد، قصد دارند از آن برای مطالعه دیگر انواع تعاملات و رفتار‌های اتمی نیز بهره ببرند. یکی از حوزه‌های جذاب در این مسیر، بررسی پدیده‌های نادر مانند فیزیک کوانتومی هال (Quantum Hall Physics) است؛ جایی که الکترون‌ها با میدان‌های مغناطیسی رفتار‌هایی عجیب از خود نشان می‌دهند.

ریچارد فلچر، فیزیک‌دان MIT نیز در این‌باره می‌گوید: «وقتی تصاویری مانند این را می‌بینید، در واقع دارید از مفهومی که پیش‌تر فقط در جهان ریاضیات وجود داشت، یک عکس واقعی می‌بینید.»

او می‌افزاید: «این یادآوری خوبی است که فیزیک در نهایت به پدیده‌های واقعی مربوط است؛ پدیده‌هایی که وجود دارند و می‌توان آنها را دید.»

نتایج کامل این پژوهش در نشریه Physical Review Letters منتشر شده است.

انتهای پیام/