از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد

اتم های فوق سرد اتم هایی هستند که در دمای نزدیک به 0 کلوین ( صفر مطلق )، معمولاً زیر چند ده میکروکلوین (μK) نگهداری می شوند. در این دماها خواص مکانیکی کوانتومی اتم اهمیت پیدا می کند.

برای رسیدن به چنین دماهای پایینی، معمولاً باید از ترکیبی از چندین تکنیک استفاده کرد. [1] اول، اتم ها معمولاً از طریق خنک کننده لیزری در یک تله مغناطیسی نوری به دام افتاده و از قبل سرد می شوند . برای رسیدن به کمترین دمای ممکن، خنک سازی بیشتر با استفاده از خنک کننده تبخیری در یک تله مغناطیسی یا نوری انجام می شود. چندین جایزه نوبل در فیزیک مربوط به توسعه تکنیک هایی برای دستکاری خواص کوانتومی اتم های منفرد است (به عنوان مثال 1995-1997، 2001، 2005، 2012، 2017).

آزمایش‌ها با اتم‌های فوق‌سرد، پدیده‌های مختلفی از جمله انتقال فاز کوانتومی، تراکم بوز-انیشتین (BEC) ، ابر سیالیت بوزونی، مغناطیس کوانتومی ، دینامیک اسپین چند جسمی، حالات افیموف ، ابرسیالیت باردین-کوپر-شریفر (BCS) و – کراس اوور BCS . [2] برخی از این جهت‌های تحقیقاتی از سیستم‌های اتمی فوق سرد به عنوان شبیه‌سازهای کوانتومی برای مطالعه فیزیک سایر سیستم‌ها، از جمله گاز واحد فرمی و مدل‌های آیزینگ و هوبارد استفاده می‌کنند. [3] اتم های فوق سرد نیز می توانند برای تحقق کامپیوترهای کوانتومی استفاده شوند.[4]

تاریخچه [ ویرایش ]

نمونه هایی از اتم های فوق سرد معمولاً از طریق برهمکنش گاز رقیق با میدان لیزر تهیه می شوند. شواهدی برای فشار تشعشع، نیروی ناشی از نور بر اتم ها، به طور مستقل توسط لبدف، و نیکولز و هال در سال 1901 نشان داده شد. در سال 1933، اتو فریش انحراف ذرات سدیم منفرد را توسط نور تولید شده از یک لامپ سدیم نشان داد.

اختراع لیزر باعث توسعه تکنیک های اضافی برای دستکاری اتم ها با نور شد. استفاده از نور لیزر برای خنک کردن اتم ها برای اولین بار در سال 1975 با بهره گیری از اثر داپلر برای وابسته کردن نیروی تشعشع روی اتم به سرعت آن پیشنهاد شد، روشی که به عنوان خنک کننده داپلر شناخته می شود . ایده های مشابهی نیز برای خنک کردن نمونه های یون های به دام افتاده پیشنهاد شد. استفاده از خنک کننده داپلر در سه بعدی باعث کاهش سرعت اتم ها می شود که معمولاً چند سانتی متر بر ثانیه است و چیزی را که به عنوان ملاس نوری شناخته می شود تولید می کند . [5]

به طور معمول، منبع اتم‌های خنثی برای این آزمایش‌ها، کوره‌های حرارتی بودند که اتم‌هایی را در دمای چند صد کلوین تولید می‌کردند. اتم های این منابع کوره با سرعت صد متر در ثانیه حرکت می کنند. یکی از چالش‌های فنی اصلی در خنک‌سازی داپلر، افزایش مدت زمانی بود که یک اتم می‌تواند با نور لیزر برهم‌کنش داشته باشد. این چالش با معرفی Zeeman Slower برطرف شد . زیمن آهسته از یک میدان مغناطیسی متغیر مکانی برای حفظ فاصله انرژی نسبی انتقال اتمی درگیر در خنک‌سازی داپلر استفاده می‌کند. این مقدار زمانی را که اتم صرف برهمکنش با نور لیزر می کند افزایش می دهد.

توسعه اولین تله مغناطیسی نوری (MOT) توسط Raab و همکاران. در سال 1987 گام مهمی در جهت ایجاد نمونه هایی از اتم های فوق سرد بود. دمای معمولی که با MOT بدست می آید ده ها تا صدها میکروکلوین است. در اصل، یک تله نوری مغناطیسی با اعمال میدان مغناطیسی، اتم‌ها را در فضا محدود می‌کند، به طوری که لیزرها نه تنها یک نیروی وابسته به سرعت، بلکه نیروی متغیر مکانی را نیز ارائه می‌کنند. جایزه نوبل 1997 [5] در فیزیک برای توسعه روش هایی برای خنک کردن و به دام انداختن اتم ها با نور لیزر اهدا شد و توسط استیون چو ، کلود کوهن-تانودجی و ویلیام دی. فیلیپس به اشتراک گذاشته شد .

خنک‌سازی تبخیری در تلاش‌های تجربی برای رسیدن به دمای پایین‌تر در تلاش برای کشف حالت جدیدی از ماده پیش‌بینی‌شده توسط Satyendra Nath Bose و آلبرت انیشتین به نام میعان بوز-اینشتین (BEC) استفاده شد. در خنک‌سازی تبخیری، داغ‌ترین اتم‌ها در یک نمونه اجازه خروج دارند که میانگین دمای نمونه را کاهش می‌دهد. جایزه نوبل در سال 2001 [1] به اریک کورنل ، ولفگانگ کترل و کارل ای. ویمن برای دستیابی به میعانات بوز-اینشتین در گازهای رقیق اتم های قلیایی و برای مطالعات بنیادی اولیه در مورد خواص میعانات اهدا شد.

برنامه های کاربردی [ ویرایش ]

اتم های فوق سرد به دلیل خواص کوانتومی منحصر به فرد خود و کنترل آزمایشی عالی موجود در چنین سیستم هایی، کاربردهای متنوعی دارند. به عنوان مثال، اتم های فوق سرد به عنوان بستری برای محاسبات کوانتومی و شبیه سازی کوانتومی پیشنهاد شده اند، [6] که با تحقیقات تجربی بسیار فعال برای دستیابی به این اهداف همراه است.

شبیه‌سازی کوانتومی در زمینه فیزیک ماده متراکم بسیار جالب است، جایی که ممکن است بینش‌های ارزشمندی در مورد ویژگی‌های سیستم‌های کوانتومی در حال تعامل ارائه دهد. اتم های فوق سرد برای پیاده سازی یک آنالوگ از سیستم ماده متراکم مورد نظر استفاده می شوند که سپس می توان با استفاده از ابزارهای موجود در اجرای خاص آن را کاوش کرد. از آنجایی که این ابزارها ممکن است با ابزارهای موجود در سیستم ماده متراکم واقعی تفاوت زیادی داشته باشند، بنابراین می توان مقادیر غیرقابل دسترس را به صورت تجربی بررسی کرد. علاوه بر این، اتم های فوق سرد ممکن است حتی اجازه ایجاد حالت های عجیب و غریب از ماده را بدهند که در غیر این صورت در طبیعت قابل مشاهده نیست.

اتم‌های فوق سرد همچنین در آزمایش‌ها برای اندازه‌گیری‌های دقیق استفاده می‌شوند که توسط نویز حرارتی کم و در برخی موارد، با بهره‌برداری از مکانیک کوانتومی برای فراتر رفتن از حد استاندارد کوانتومی امکان‌پذیر است. علاوه بر کاربردهای فنی بالقوه، چنین اندازه گیری های دقیقی ممکن است به عنوان آزمون هایی برای درک فعلی ما از فیزیک عمل کنند.

همچنین ببینید [ ویرایش ]

• میعانات بوز-اینشتین
• آزمایشگاه اتم سرد
• شبیه ساز کوانتومی

منبع

https://en.wikipedia.org/wiki/Ultracold_atom