פיזיקאים אומרים שהם בנו לייזר אטום שיכול לפעול 'לנצח'

סכמטי המראה כיצד האטומים מתפשטים באמצעות הניסוי. (אוניברסיטת אמסטרדם/סקסל)

פריצת דרך חדשה אפשרה לפיסיקאים ליצור קרן של אטומים שמתנהגת באותו אופן כמו לייזר, ואשר תיאורטית יכולה להישאר 'לנצח'.

זה אולי סוף סוף אומר שהטכנולוגיה בדרך ליישום מעשי, אם כי עדיין חלות מגבלות משמעותיות.

עם זאת, זהו צעד עצום קדימה עבור מה שמכונה 'לייזר אטום' - קרן העשויה מאטומים שצועדים כגל בודד שיכולה לשמש יום אחד לבדיקת קבועים פיזיקליים בסיסיים וטכנולוגיית דיוק הנדסית.



לייזרים אטומים קיימים כבר דקה. הלייזר האטום הראשון נוצר על ידי צוות של MIT פיזיקאים עוד ב-1996 . הרעיון נשמע די פשוט: בדיוק כפי שלייזר מסורתי מבוסס אור מורכב מפוטונים הנעים עם הגלים שלהם מסונכרנים, לייזר העשוי מאטומים ידרוש את הטבע דמוי הגל שלהם להתיישר לפני שהוא יידרש החוצה כקרן.

עם זאת, כמו בהרבה דברים במדע, קל יותר להמשיג מאשר להבין. בשורש הלייזר האטום נמצא א מצב צבירה נקרא א קונדנסט Bose-Instein , או BEC.

BEC נוצר על ידי קירור ענן של בוזונים רק לשבריר מעל האפס המוחלט. בטמפרטורות נמוכות כל כך, האטומים שוקעים למצב האנרגיה הנמוך ביותר האפשרי שלהם מבלי להפסיק לחלוטין.

כשהם מגיעים לאנרגיות הנמוכות הללו, התכונות הקוונטיות של החלקיקים כבר לא יכולות להפריע זה לזה; הם מתקרבים מספיק זה לזה כדי לחפוף מעין, וכתוצאה מכך ענן בצפיפות גבוהה של אטומים שמתנהג כמו 'אטום על' אחד או גל חומר.

עם זאת, BECs הם קצת פרדוקס. הם מאוד שבירים; אפילו אור יכול להרוס BEC. בהינתן שהאטומים ב-BEC הם מקורר באמצעות לייזרים אופטיים , זה בדרך כלל אומר שקיומה של BEC הוא חולף.

לייזרים אטומים שהצליחו מדענים להשיג עד היום היו מהזן הפועם ולא הרציף; וכרוך בירי דופק אחד בלבד לפני שצריך ליצור BEC חדש.

כדי ליצור BEC מתמשך, צוות חוקרים מאוניברסיטת אמסטרדם בהולנד הבין שמשהו צריך לשנות.

״בניסויים קודמים, הקירור ההדרגתי של האטומים נעשה כולו במקום אחד. בהגדרה שלנו, החלטנו לפזר את שלבי הקירור לא לאורך זמן, אלא בחלל: אנחנו גורמים לאטומים לנוע בזמן שהם מתקדמים בשלבי קירור עוקבים,' הסביר הפיזיקאי פלוריאן שרק .

'בסופו של דבר, אטומים אולטרה-קרים מגיעים ללב הניסוי, שם ניתן להשתמש בהם ליצירת גלי חומר קוהרנטיים ב-BEC. אבל בזמן שהאטומים האלה נמצאים בשימוש, אטומים חדשים כבר נמצאים בדרכם לחדש את ה-BEC. בדרך זו נוכל להמשיך את התהליך – בעצם לנצח״.

אותו 'לב הניסוי' הוא מלכודת השומרת על ה-BEC מוגן מפני אור, מאגר שניתן לחדש ברציפות כל עוד הניסוי פועל.

ההגנה על ה-BEC מפני האור המופק על ידי הלייזר הקירור, עם זאת, למרות שהיא פשוטה בתיאוריה, שוב הייתה קצת יותר קשה בפועל. לא רק שהיו מכשולים טכניים, אלא היו גם מכשולים בירוקרטיים ומנהליים.

'עם המעבר לאמסטרדם ב-2013, התחלנו בקפיצת אמונה, הלוואות, חדר ריק וצוות הממומן כולו על ידי מענקים אישיים', אמר הפיזיקאי צ'ון-צ'יה צ'ן , שהוביל את המחקר.

'שש שנים מאוחר יותר, בשעות המוקדמות של בוקר חג המולד 2019, הניסוי היה סוף סוף על סף עבודה. היה לנו רעיון להוסיף קרן לייזר נוספת כדי לפתור קושי טכני אחרון, ומיד כל תמונה שצילמנו הראתה BEC, BEC הגל המתמשך הראשון״.

כעת, לאחר שהתממש החלק הראשון של הלייזר האטום הרציף - החלק 'אטום רציף' - השלב הבא, אמר הצוות, עובד על שמירה על קרן אטום יציבה. הם יכלו להשיג זאת על ידי העברת האטומים למצב לא לכודים, ובכך לחלץ גל חומר מתפשט.

מכיוון שהם השתמשו באטומי סטרונציום, בחירה פופולרית עבור BECs, הסיכוי פותח הזדמנויות מרגשות, הם אמרו. התערבות אטומים באמצעות סטרונציום BECs, למשל, יכולה לשמש לביצוע חקירות של תורת היחסות ומכניקת הקוונטים, או לזהות גלי כבידה .

'הניסוי שלנו הוא אנלוגי גל החומר של לייזר אופטי גל מתמשך עם מראות חלל מחזירות באופן מלא,' כתבו החוקרים במאמרם .

'הדגמת הוכחת העיקרון הזו מספקת פיסת אופטיקה אטומית חדשה, חסרה עד כה, המאפשרת בנייה של התקני גלי חומר קוהרנטיים רציפים.'

המחקר פורסם ב טֶבַע .

אודותינו

פרסום עובדות עצמאיות ומוכחות של דיווחים על בריאות, מרחב, טבע, טכנולוגיה וסביבה.