اقرأ في هذا المقال
- ما هو مكثف بوز – آينشتاين
- كيف يعمل مكثف بوز – آينشتاين
- خصائص مكثف بوز – آينشتاين
- تطبيقات مكثف بوز – آينشتاين
تم الإبلاغ عن أول ابتكار لتكثيف بوز-آينشتاين في الفضاء، حيث يمكن أن تدعم الرؤى المكتسبة من التجارب التي أجريت مع المكثف تطوير كاشفات موجات الجاذبية الفضائية، ابتكر العالم مايك والعالم راسيل وزملاؤه أول مكثف بوز-آينشتاين الفضائي في حالة السقوط الحر على متن مهمة صاروخ السبر MAIUS-1 (قياس تداخل الموجة المادية في الجاذبية الصغرى).
ما هو مكثف بوز – آينشتاين
مكثف بوز-آينشتاين يتشكل عندما يبرد غاز قليل الكثافة من الذرات إلى درجات حرارة تؤول إلى الصفر؛ ويذهب إلى حالة كمومية بكثافة كبيرة؛ إذ إن خصائص هذه الحالات تجعلها جيدة لاستشعار قوى القصور الذاتي الصغيرة جدًا ويمكن استخدامها لقياس التسارع من الجاذبية.
كما أن جعل الذرات في حالة سقوط حر يزيد من دقة هذه القياسات، ويمكن أن تساعد دراسات الأنظمة الكمية مثل مكثفات بوز-أينشتاين في زيادة الفهم لموجات الجاذبية والنسبية وميكانيكا الكم.
يُقارن أداء المكثف جيدًا بالإبداعات الأرضية، حيث ينتج حوالي 105 ذرات في 1.6 ثانية وتمكن المؤلفون من إجراء أكثر من 80 تجربة خلال رحلة الفضاء التي استغرقت ست دقائق، وتساعد الرؤى المستمدة من هذه التجارب على زيادة فهمنا لإجراء تجارب الذرة الباردة في الفضاء، ويمكن أن تؤدي إلى حقبة جديدة لتجارب الغاز الكمي.
كيف يعمل مكثف بوز – آينشتاين
يعرف المعظم أنه لا توجد درجة حرارة أقل من الصفر المطلق، وهي -273 درجة مئوية أو صفر ك، إذن، ماذا يحدث عندما تبرد غازًا بكثافة منخفضة إلى درجات حرارة أعلى من الصفر المطلق بجزء بسيط، إن الإجابة على هذا السؤال هي؛ مكثف بوز-آينشتاين!
لقد وجد أنه عند تبريد المادة عند درجات حرارة، فقط طولي أعلى من 0 كلفن، تدخل المادة حالة أخرى من المادة، تسمى بشكل مناسب (Bose-Einstein Condensate)، حيث يعرف بالفعل أنه عندما يتم تبريد الذرات إلى درجات حرارة منخفضة، يكون لديها مستويات طاقة أقل؛ وهكذا في حالة (Bose-Einstein Condensate)، تمتلك الذرات مستويات طاقة قريبة من الصفر.
خصائص مكثف بوز – آينشتاين
الخاصية الأكثر وضوحًا لـمكثف بوز آينشتاين هي أن جزءًا كبيرًا من جسيماتها تحتل نفس الحالة أي أقل حالة طاقة؛ ويمكن تأكيد ذلك في المكثفات الذرية عن طريق قياس توزيع سرعة الذرات في الغاز.
- توزيع الطاقة للذرات: يتم الحصول عليه من خلال إحصائيات بوز آينشتاين، وفي المؤامرة الوسطى بالكاد تم تحقيق شروط التكثيف، ولا يزال بإمكان المرء أن يرى بوضوح الذرات الموزعة إحصائيًا، ولكن فوق هذا التوزيع يمكن أيضًا تحديد الزيادة السكانية للحالة الأرضية معبراً عنها بالقمة الزرقاء الحادة.
- الاتساق: بسبب هذه الخاصية من الممكن التعامل مع المكثفات بأكملها على أنها موجة مادة واحدة كبيرة على غرار الموجة الضوئية التي ينتجها الليزر؛ وباستخدام موجات هذه المادة يمكن إجراء تجارب مماثلة لموجات الضوء على سبيل المثال من الممكن أن تتداخل مكثفتان مع بعضهما البعض.
عندما نتداخل بين غيمتين من ذرات (Bose) المكثفة، فإن كثافتها لا تلخص ببساطة، ولكنها تتداخل مع بعضها البعض مما يخلق مظهرًا للكثافة المكانية مع حدود قصوى ودنيا مرتبة بشكل دوري على غرار شعاعين ضوئيين متداخلين ينتجان مخططًا مشابهًا على الشاشة.
- النفق الميكانيكي الكمومي: هذا يعني أن جزءًا صغيرًا من المكثف يمكنه التغلب على حاجز لا يمكن التغلب عليه بواسطة جسيم كلاسيكي. جزء من “أنفاق” المكثفات عبر هذا الحاجز، وتؤدي هذه الخاصية إلى ظهور تأثيرات ميكانيكية كمومية أخرى مثل تأثير جوزيفسون.
- تأثير جوزيفسون: يحدث تأثير جوزيفسون دائمًا عندما يتم فصل جسمين كميين مجهريين بواسطة رابط ضعيف، حيث أن الحلقة الضعيفة هي حاجز مرتفع بما فيه الكفاية، بحيث لا يستطيع أي جسيم من المكثفات عبوره في الصورة الكلاسيكية ولكنه منخفض بدرجة كافية، بحيث يمكن لجزء من المكثف أن يخترقه في الصورة الميكانيكية الكمومية.
قد يصبح تأثير جوزيفسون مهمًا جدًا في المستقبل، حيث تعمل أجهزة الكمبيوتر الكمومية على أساس مختلف تمامًا عن أجهزة الكمبيوتر العادية، ونتيجة لهذا فهي سريعة بشكل لا يصدق في بعض التطبيقات، مثلا يجب أن يكون الكمبيوتر الكمومي المستقبلي قادرًا على اختراق أقوى التشفير المتاح اليوم في غضون ثوانٍ قليلة.
تطبيقات مكثف بوز – آينشتاين
تبريد الذرات
تم الاستشهاد بتكثيف بوز-آينشتاين كظاهرة مهمة في العديد من مجالات الفيزياء، ولكن حتى وقت قريب جاء الدليل الوحيد على التكثيف من دراسات الهيليوم السائل الفائق السوائل والإكسيتونات في أشباه الموصلات، ومع ذلك في حالة الهيليوم السائل فإن التفاعلات القوية الموجودة في السائل تغير نوعياً طبيعة الانتقال.
لهذا السبب كان الهدف طويل الأمد في الفيزياء الذرية هو تحقيق (BEC) في غاز ذري مخفف، وكان التحدي يتمثل في تبريد الغازات إلى درجات حرارة حول أو أقل من واحد ميكرو كلفن، مع منع الذرات من التكثيف إلى مادة صلبة أو سائلة.
بدأت الجهود المبذولة لتكثيف ذرات (Bose) باستخدام الهيدروجين، حيث يتم تبريد ذرات الهيدروجين أولاً في ثلاجة مخففة ثم يتم حبسها بواسطة مجال مغناطيسي ثم يتم تبريدها عن طريق التبخر اقترب هذا النهج كثيرًا من مراقبة (BEC)، ولكنه مقيد بإعادة اتحاد الذرات الفردية لتكوين الجزيئات وبكفاءة الكشف.
تقنيات محسنة في المحاصرة المغناطيسية
لكي يعمل التبريد التبخيري يجب عزل الذرات حرارياً عن محيطها؛ ويجب أن يتم ذلك بالمجالات الكهرومغناطيسية، حيث تلتصق الذرات بجميع الأسطح عند درجات الحرارة شديدة البرودة، وأفضل طريقة للقلويات هي الحبس المغناطيسي والتي تستفيد من العزم المغناطيسي للذرات القلوية.
وبعد حبس الذرات وتبريدها باستخدام الليزر يتم إطفاء كل الضوء ويتم بناء جهد حول الذرات بمجال مغناطيسي غير متجانس. هذا يحصر الذرات في منطقة صغيرة من الفضاء؛ ولا يمكن تبريد الذرات إلا عن طريق التبخر إذا كان الوقت اللازم لإعادة الحرارة أقصر بكثير من عمر الذرة في المصيدة، ويتطلب هذا مصيدة ذات حبس محكم لأن هذا يسمح بكثافة عالية، وبالتالي أوقات إعادة الحرارة السريعة.
هذه التقنيات تنتج بالفعل كثافات عالية وتبخرًا سريعًا، ولكن مع مشكلة رئيسية واحدة: المجال المغناطيسي هو صفر في المركز مما يتسبب في أن تصبح الذرة مشوشة وتفقد محاذاة عزمها المغناطيسي، ونظرًا لأن المجال المغناطيسي يمكنه فقط حصر الذرات ذات اللحظات المغناطيسية التي تكون معاكسة للمجال فإن تقلبات السبين هذه تؤدي إلى خسارة كارثية للذرات من المصيدة.
مراقبة التكثيف
المكثفات المحاصرة صغيرة جدًا وسميكة بصريًا، لذلك يصعب ملاحظتها في المصيدة، حيث تم إجراء الملاحظات الأولى لـ BEC عن طريق إيقاف تشغيل المصيدة والسماح للذرات بالتمدد الباليستي ثم يومض شعاع ليزر متجاوب مع انتقال ذري وأدى امتصاص الضوء الناتج إلى خلق ظل تم تسجيله بواسطة الكاميرا، حيث توضح هذه اللقطة للمواقع الذرية مدى اتساع الذرات منذ إطلاقها من المصيدة.
ومن ثم فهي تسجل توزيع سرعتها، حيث تتوسع الذرات في الكُثافة قليلاً جدًا لأنها في أدنى حالة طاقة، وبالتالي فإن التوقيع الدرامي لتكثيف (Bose) كان الظهور المفاجئ لقمة حادة للذرات في وسط الصورة، إن التصوير بالامتصاص مدمر بطبيعته لأن الذرات تنطلق من المصيدة، علاوة على ذلك تقوم الفوتونات الممتصة أيضًا بتسخين الذرات، وفي عام 1996، لاحظ أن مكثف بوز غير مدمر باستخدام تصوير “الأرضية المظلمة”، وهي تقنية تعتمد على التشتت بدلاً من الامتصاص.
يتم وصف التشتت والامتصاص معًا بشكل ملائم بواسطة مؤشر انكسار معقد، حيث يصف الجزء التخيلي من الفهرس امتصاص الفوتونات من حزمة المسبار متبوعًا بالانتثار غير المرن للضوء عبر زوايا كبيرة، إن الجزء الحقيقي يتوافق مع التشتت المرن المتماسك من خلال زوايا صغيرة.
ويغير هذا الانتثار المشتت مرحلة الضوء، وبما أن الضوء ينحرف قليلاً فقط، فإن التقنية غير مضطربة تقريبًا، والنقطة الأساسية هي أنه إذا تم تفكيك ليزر المسبار بشكل كافٍ بعيدًا عن أي رنين ذري، فإن التشتت المشتت يسيطر على الامتصاص والمكثف سيبدو ببساطة كقطعة من الزجاج المشكل بمعنى آخر مثل العدسة.
لم يساعد تكاثف بوز-آينشتاين في اكشاف نوع آخر من المادة الكمية فقط؛ بل قدم أيضًا مصدرًا فريدًا للذرات ببرودة كبيرة، وجعل التبريد عن طريق البخار درجات حرارة النانو كلفن في أيدي من أقاموا التجارب ومع مزيد من التحسين يجب أن يكون من الممكن إنتاج مكثفات من 10 8 ذرات في فترات زمنية تتراوح من 5 إلى 10 ثوانٍ.
