در یک مطالعه پیشگامانه، دانشمندان راه‌های جدیدی را برای کنترل برخورد اتم‌ها با استفاده از موچین‌های نوری ابداع کردند و بینش‌هایی را ارائه کردند که می‌تواند محاسبات کوانتومی و علم مولکولی را ارتقا دهد.

آنها با دستکاری فرکانس‌های نور و سطوح انرژی اتمی، چگونگی تأثیر ویژگی‌های اتمی خاص بر نتایج برخورد را ترسیم کردند و راه را برای دستکاری کوانتومی دقیق‌تر هموار کردند.

شگفتی‌های کوانتومی در دما‌های فوق العاده سرد

وقتی اتم‌ها با هم برخورد می‌کنند، ساختار آنها – مانند تعداد الکترون‌هایی که حمل می‌کنند یا اسپین کوانتومی هسته هایشان – نحوه برهمکنش آنها را تعیین می‌کند. این اثر در دما‌های فوق سرد نزدیک به صفر مطلق، که مکانیک کوانتومی نقش غالب را ایفا می‌کند، حتی بیشتر می‌شود.

 در این شرایط شدید، گاهی اوقات اتم‌ها می‌توانند به دلیل نور لیزر با هم برخورد کنند و برای مدت کوتاهی حالت مولکولی را تشکیل دهند و سپس از هم جدا شوند و انرژی قابل توجهی آزاد کنند. این برخورد‌ها به کمک نور به سرعت اتفاق می‌افتند و طیف وسیعی از کاربرد‌های علوم کوانتومی را تحت تأثیر قرار می‌دهند، با این حال جزئیات چگونگی وقوع آنها هنوز به درستی شناخته نشده است.

در مطالعه جدیدی که در Physical Review Letters منتشر شده است، سیندی ریگال، استاد فیزیک دانشگاه کلرادو بولدر، همراه با همکار سابق JILA Jose D’Incao (اکنون در دانشگاه ماساچوست، بوستون) و تیم‌هایشان روش‌های تجربی و نظری ابتکاری را برای اندازه‌گیری نرخ انرژی اتمی کوچک در حضور هم‌رسانی‌های کوچک توسعه دادند. تحقیقات آنها بر موچین‌های نوری – پرتو‌های لیزری بسیار متمرکز که می‌توانند اتم‌های منفرد را به دام بیندازند – متکی است که به تیم اجازه می‌دهد تا تعاملات جفت‌های اتم خاص را با دقت بی‌سابقه‌ای جدا و بررسی کند.

با کشف بینش‌های جدید در مورد این برخورد‌های تخصصی اتمی، محققان به بهبود کنترل بر تعاملات اتمی کمک می‌کنند، گامی مهم برای پیشبرد شبیه سازی‌های کوانتومی که از آرایه‌هایی از اتم‌ها و مولکول‌ها برای مدل سازی سیستم‌های کوانتومی پیچیده استفاده می‌کنند.‌ی

پیشرفت در تحقیقات موچین نوری

همانطور که فیزیکدانان برای بهبود کنترل بر روی اتم‌ها در آزمایشات موچین نوری تلاش می‌کنند، استیون پامپل، دانشجوی فارغ التحصیل JILA، اولین نویسنده مقاله، می‌خواست بهتر بفهمد که چگونه سرعت رخ دادن برخورد‌های به کمک نور در شرایط مختلف تغییر می‌کند. نور می‌تواند مجموعه‌ای از پیامد‌ها را ایجاد کند، که بیشتر به فرکانس آن با توجه به انتقال اتمی بستگی دارد.

ریگال توضیح می‌دهد: «برخورد با کمک نور می‌تواند مقادیر زیادی انرژی در مقایسه با آنچه که اغلب در جهان گاز‌های اتمی فوق سرد تحمل می‌شود، تولید کند. این انرژی به اتم‌های در حال برخورد داده می‌شود، که می‌توان آنها را بد در نظر گرفت، زیرا به اندازه‌ای بزرگ هستند که باعث می‌شوند اتم‌ها از تله‌های معمولی فرار کنند. اما این برخورد‌ها زمانی که بتوان آن انرژی را کنترل کرد نیز می‌تواند مفید باشد.

در واقع، گروه Regal و سایر گروه‌ها در سراسر جهان قبلاً از این انرژی برای مطالعه نحوه بارگذاری اتم‌ها در موچین‌های نوری استفاده کرده‌اند. با این حال، درک نظری جامع‌تری از فرآیند برخورد که منجر به انتشار چنین انرژی می‌شود، به سختی به دست می‌آید، به‌ویژه زمانی که ساختار فوق‌ریز اتمی را در نظر می‌گیریم – تغییرات انرژی کوچک ناشی از جفت شدن بین اسپین هسته‌ای اتم و تکانه زاویه‌ای الکترون‌های اتم.
مدل اولیه برای برخورد با کمک نور برای چندین دهه درک شده است. در واقع، این مدل توسط همکار JILA، آلن گالاگر و پروفسور دیوید پریچارد از MIT توسعه داده شد. اما تا همین اواخر، درک ما از برخورد‌های به کمک نور از تله‌های نوری بسیار بزرگی می‌آمد که حاوی میلیون‌ها اتم هستند، جایی که همان نوری که اتم‌ها را محدود می‌کند، باعث برخورد نیز می‌شود و کنترل فرکانس نور و اطلاعاتی را که کسی می‌توانست به دست آورد، محدود می‌کند.

دستکاری دقیق حالات کوانتومی

برای تعیین سرعت وقوع این برخوردها، محققان در آزمایشگاه Regal آزمایش خود را با تهیه دقیقاً دو اتم روبیدیم در یک موچین نوری آغاز کردند. برای انجام این کار، تیم از تکنیکی استفاده کردند که در آن اتم‌های منفرد در دو موچین نوری مجزا بارگذاری می‌شوند و سپس اتم‌ها در یک تله نوری واحد ادغام می‌شوند. پس از ادغام، یک پالس نور لیزر به دقت کنترل شده برای ایجاد برخورد بین دو اتم اعمال شد.

این نور لیزر برخوردی اتم‌ها را تحریک می‌کند و یک حالت برهم نهی کوانتومی ایجاد می‌کند که در آن هر اتم می‌توانست فوتون را جذب کند، اما مشخص نیست کدام یک. در این حالت، نیرو‌های الکترونیکی در فواصل بسیار بزرگتر از آنچه در غیر این صورت عمل می‌کردند، عمل می‌کنند و به اتم‌ها انرژی جنبشی زیادی می‌دهند که از تله فرار می‌کنند. در این بازی «توپ‌های کوانتومی بیلیارد»، فوتون مانند توپ نشانه‌ای است که به طور همزمان به دو توپ دیگر (اتم‌ها) برخورد می‌کند و آنها را از روی میز به پرواز در می‌آورد.

سپس تیم فرکانس نور برخورد، یعنی انرژی فوتون “نشان” را تغییر داد و میزان سرعت فرار جفت اتم‌ها از موچین نوری را اندازه گرفت.
پامپل می‌افزاید: «ما لیزر را در فرکانس مشخصی تنظیم کردیم، سپس مدت زمان نور برخورد را تغییر دادیم تا ببینیم چند اتم در تله باقی مانده‌اند. از این رو، می‌توانیم تعیین کنیم که اتم‌ها با چه سرعتی با هم برخورد کرده و انرژی کافی برای فرار به دست آورده‌اند. با تکرار این فرآیند در فرکانس‌های مختلف، می‌توانیم تأثیر ساختار فوق‌ریز را در این برخورد‌ها ترسیم کنیم.»

این فرآیند به محققان اجازه داد تا میزان تلفات اتم‌ها را به صورت کمی و در رابطه با اثرات بسیار ظریف اندازه گیری کنند، کاری که قبلا هرگز انجام نشده بود.
پیشرفت در تکنیک‌های تصویربرداری برخورد

در طول آزمایشات، تیم یک تکنیک تصویربرداری جدید را برای تعیین دقیق اینکه آیا هر دو اتم پس از برخورد در تله باقی می‌مانند یا خیر، توسعه دادند. این تکنیک بسیار مهم بود، زیرا روش‌های تصویربرداری استاندارد در موچین‌های نوری، به‌طور ناخواسته هر دو اتم را در حین برخورد از تله خارج می‌کنند و تشخیص اینکه آیا نور برخورد یا نور تصویربرداری اتم‌ها را پرتاب کرده است، غیرممکن می‌سازد. 

پامپل توضیح می‌دهد: ما به روشی رسیدیم که از نوع خاصی از برخورد‌های با کمک نور استفاده می‌کند که در آن تنها یک اتم در بیشتر مواقع به بیرون پرتاب می‌شود. این به ما امکان داد تا حضور دو اتم را با شناسایی یک اتم شناسایی کنیم. این مکانیسم معمولاً برای بارگذاری اتم‌های منفرد در موچین استفاده می‌شود، اما ما نشان دادیم که می‌توان از آن در تنظیمات کنترل‌شده‌تری برای اهداف تشخیص دو اتمی نیز استفاده کرد.
بینش در مورد تعاملات کوانتومی و کاربرد‌های آینده

این یافته‌ها فراتر از پرتاب کردن نور جدید بر روی یک پازل طولانی مدت، می‌تواند بر تلاش‌های مختلف با اتم‌های خنثی به دام افتاده مانند محاسبات کوانتومی، مترولوژی و فیزیک بدنه‌ای که کنترل برخورد‌های اتمی برای موفقیت ضروری است، تأثیر بگذارد. توانایی پیش‌بینی نحوه رفتار برخورد‌های اتمی بر اساس ساختار فوق‌ریز آنها احتمالاً برای پیشرفت تکنیک‌های خنک‌کننده لیزری، علوم کوانتومی مولکولی و نسل بعدی فناوری‌های مبتنی بر کوانتوم مفید خواهد بود.

مرجع: “تصادفات به کمک نور در موچین‌های نوری در سراسر طیف فوق ظریف” توسط استیون کی پامپل، ماتئو مارینلی، مارک او. براون، خوزه پی دی اینکائو و سیندی آ. ریگال، ۱۰ ژانویه ۲۰۲۵، نامه‌های بازبینی فیزیکی.