امروز : شنبه, 20 آذر 1395
مشاهده بر هم کنش میان اتم های منفرد برای اولین بار
3/50 امتیاز از 12 رای
 نرم افزار  |     |   21

محققان برای اولین بار موفق به ضبط تصاویری از اتم های پتاسیم منفرد توزیع شده در یک شبکه ی نوری شده اند که این فرایند یک فرصت منحصر به فرد را برای مشاهده ی چگونگی تداخل اتم ها با همدیگر ارایه داده است.

در حالی که گرفتن این تصاویر به خودی خود یک شاهکار به شمار می رود، این روش همچنین می تواند به محققان در درک بهتر شرایط مورد نیاز برای نزدیک شدن اتم های منفرد به هم و تشکیل حالت هایی عجیب از ماده مانند ابرسیال ها و ابررساناها کمک کند. یکی از اعضای گروه پژوهشی مرتبط با این پروژه، مارتین زوئرلین (Martin Zwierlein) از MIT در یک بیانیه گفته است:

ما با یادگیری از این مدل اتمی، می توانیم دریابیم که واقعا در این ابررساناها چه سازوکاری در حال سپری شدن است و اینکه ما برای ساخت ماده های ابررساناها در دماهای بالاتر و نزدیک به دمای اتاق چه کارهایی را باید انجام دهیم.

این گروه پژوهشی برای گرفتن این تصاویر، گاز پتاسیم را برای آزمایش مورد بررسی قرار داده و آن را تا دمای چند نانوکلوین سرد کردند (تا دمای بسیار اندکی بالاتر از صفر مطلق). برای اینکه چشم انداز بهتری داشته باشیم باید یادآوری کنیم که ۱ نانوکلوین تقریبا منفی ۲۷۳ درجه ی سلسیوس و منفی ۴۶۰ درجه ی فارنهایت است.

در این دمای بسیار سرد، اتم های پتاسیم به آهستگی دارای حرکت خزش مانندی هستند. این نوع حرکت به اعضای تیم پژوهشی امکان به دام انداختن برخی از آن اتم ها را در داخل یک شبکه ی نوری دو بعدی را می دهد. این شبکه به صورت یک مجموعه ی پیچیده از لیزرها است که با هم تداخل دارند و می توانند اتم های منفرد را در امواجی با شدت های متفاوت به دام اندازند. زوئرلین در این باره می گوید:

برای ما، این اثر در دمای نانوکلوین ایجاد می شود؛ چرا که ما در حال کار با گازهای اتمی رقیق هستیم. اگر شما یک قطعه متراکم از ماده را داشته باشید، چنین اثراتی ممکن است به همان خوبی در دمای اتاق نیز اتفاق بیفتند.

این تیم با استفاده از اتم های به دام افتاده در شبکه، با استفاده از یک میکروسکوپ با وضوح بالا اقدام به ثبت صدها عکس کردند تا دریابند که اتم ها چگونه در آرایش خاص خود قرار می گیرند. آنها دریافتند در بخش هایی از شبکه که دارای حداقل تراکم بودند (مانند اطراف لبه ها) اتم های پتاسیم فاصله ی خود را از یکدیگر حفظ می کنند و منجر به ایجاد بخشی از فضای اختصاصی بین هر اتم می شوند که این فضا را به نام حفره ی پائولی (Pauli hole) می شناسند. زوئرلین همچنین معتقد است:

آنها یک فضای کوچک برای خود ایجاد می کنند؛ فضایی که در آن احتمال برای پیدا کردن اتم دیگر در داخل آن فضا بسیار بعید است.

پژوهشگران دریافتند که در نزدیکی مرکز شبکه که در آن گاز فشرده تر است، اتم ها به احتمال زیاد فوق العاده نزدیک به هم بوده اند (گاهی اوقات در بالای یکدیگر) و اغلب خود را در یک الگوی متناوب با جهت گیری مغناطیسی مرتب می کنند. زوئرلین همچنین اشاره کرد:

اینها به صورت همبستگی های پادفرومغناطیس زیبا با یک الگوی شطرنجی (بالا، پایین، بالا، پایین) هستند.

یک روش خوب برای مجسم کردن پدیده ی مورد بحث این است که آن را به صورت تصویری از چگونگی تفاوت جمعیت های انسانی بر حسب میزان تراکم جمعیت تصور کنیم.

برای مثال، در شهرها، مردم به طور کامل با زندگی در واحدهای بالا و پایین هم دیگر سازگار هستند و به عبارتی بیشتر فضای اختصاصی خود را از دست می دهند. در حالی که افراد دیگری که در مناطقی با تراکم کمتر مانند حومه ی شهر زندگی می کنند، دارای فضای بیشتری برای جداسازی محدوده خود با همسایه ها هستند.

تیم پژوهشی آزمایش های خود را برای رسیدن به یک درک بهتر از پدیده ی ابررسانایی انجام دادند. ابررسانایی (superconductivity) در واقع یک پدیده ی مکانیک کوانتومی است که در آن میزان مقاومت برای انتقال الکترون صفر است.

از آنجا که در حال حاضر هنوز فناوری لازم برای اینکه محققان الکترون ها را به طور واقعی روی یک شبکه مشاهده کنند، وجود ندارد، این تیم پژوهشی بر آن شدند تا از گاز پتاسیم به عنوان یک معیار جانشین به منظور تجزیه و واکاوی مدل هابارد-فرمی استفاده کنند. مدل هابارد-فرمی مدلی است که تعیین می کند اتم ها جدای از در نظر گرفتن حضور الکترون ها و اثراتشان به چه شکلی با هم برهم کنش خواهند داشت. زوئرلین در این باره گفت:

دلیل اصلی اینکه ما ماهیت ابررساناهای دمای بالا را درک نمی کنیم در واقع همین است. در این دماها الکترون ها با قدرت بسیار زیادی با هم بر هم کنش دارند.

هیچ کامپیوتر کلاسیکی در جهان وجود ندارد که بتواند محاسبه کند که چه اتفاقی برای الکترو ن های تعامل کننده در دماهای بسیار پایین رخ می دهد. همبستگی های فضایی آنها نیز هیچگاه در جای اصلی خود مشاهده نشده اند. زیرا در زمان فعلی هیچ میکروسکوپی وجود ندارد که بتوانیم یک الکترون منفرد را با آن مشاهده کنیم.

با انجام مطالعات بیشتر در آینده، داشتن درک بهتری از ابررسانایی ممکن است روزی منجر به ایجاد سیستم های برقی با میزان مقاومت صفر شود. چنین رویدادی می تواند آنها را بسیار کارامدتر از آن چیزی کند که در حال حاضر هستند.

گام بعدی برای تیم پژوهشی این است که برای مشاهده ی همان اتم ها حتی در دماهای پایین تر نیز تلاش کنند تا به این ترتیب بتوانند چگونگی عملکرد آنها را مورد ارزیابی قرار داده و همچنین پی ببرند که آیا در آن حالت ها می توانند یک ابررسانا تشکیل دهند یا خیر. دستاوردهای این مطالعه در مجله ی Science منتشر شده است.


برچسب ها :  

نظر خود را به اشتراک بگذارید