لیزر اتمی ابدی برای اولین بار اختراع شد؛ اما کاربرد آن چیست؟

فیزیک‌دانان دانشگاه آمستردام از ساخت یک نوع لیزر اتمی خبر دادند که می‌تواند برای همیشه، به‌طور پیوسته کار کند. اما کاربرد آن چیست؟

نتایج یک پیشرفت جدید به فیزیک‌دانان اجازه داده تا به‌وسیله ایجاد پرتویی از اتم‌ها، رفتاری شبیه به لیزر که از لحاظ تئوری می‌تواند برای همیشه روشن بماند را خلق کنند. کشف نوع جدید لیزر اتمی احتمالا بدین معنا است که فناوری مذکور می‌تواند عملیاتی شود، اگرچه محدودیت‌های مهمی در این راه وجود دارند.

در هر حال، پیشرفت حاصله گامی رو به جلو برای پدیده‌ای است که به عنوان «لیزر اتمی» شناخته می‌شود. در این فرآیند، پرتوی ساخته شده از اتم‌ها با حرکت در قالب یک موج، می‌توانند در آینده برای آزمایش ثابت‌های فیزیکی و فناوری دقیق مهندسی استفاده شوند.

لیزرهای اتمی چندان جدید نیستند و اولین مورد توسط تیمی از فیزیک‌دانان دانشگاه MIT در سال 1996 ساخته شد. در مفهوم ابتدایی، این پدیده همانند یک لیزر سنتی نوری از فوتون‌هایی تشکیل شده است که با امواج خود حرکت می‌کنند؛ اما با این تفاوت که لیزرهای اتمی به موج طبیعی خود برای تراز کردن، پیش از پخش شدن در پرتو نیاز دارند.

نوع جدید لیزر اتمی چگونه ساخته شد؟

با این‌حال، مانند دیگر موارد علمی، طرح و مفهوم اولیه از پیاده‌سازی آن آسان‌تر است. در ریشه لیزر اتمی، حالتی از ماده به نام چگالش بوز-اینشتین یا BEC وجود دارد. یک BEC با سرد کردن ابری از بوزون‌ها تا اندکی بالاتر از دمای صفر مطلق ایجاد می‌شود. در این دمای پایین، اتم‌ها بی وقفه به پایین‌ترین حالت انرژی ممکن فرو می‌روند.

هنگامی‌که آنها به سطوح پایین انرژی می‌رسند، خواص کوانتومی دیگر با یک‌دیگر تداخل نخواهد داشت. آنها تا حدی به یکدیگر نزدیک می‌شوند تا به‌وسیله همپوشانی، ابری از اتم‌های با چگالی بالا ایجاد شود که مانند یک «ابر اتم» یا موج ماده رفتار می‌کند.

با این وجود، BEC خصوصیاتی متناقض نیز دارد. آنها به علت شکنندگی بالا، حتی در برابر نور نیز آسیب‌پذیر هستند. با توجه به اینکه اتم‌های موجود در یک BEC، با استفاده از لیزرهای نوری خنک می‌شوند، این معمولا بدین معنا است که ماهیت BEC متناهی و مقطعی است.

آن دسته از لیزر های اتمی که دانشمندان موفق به دستیبابی آنها تا به امروز شده‌اند، از نوع پیوسته نبوده و پالسی هستند که تنها شامل شلیک یک پالس قبل از تولید BEC جدید است. به‌منظور ایجاد یک BEC پیوسته، تیمی از محققان دانشگاه آمستردام هلند دریافتند که چیزی را باید تغییر دهند.

یک فیزیک‌دان به نام فلوریان شرک در این باره گفت:

در آزمایشات قبلی، فرآیند کاهش دمای تدریجی اتم‌ها در یک مکان مشترک انجام می‌شد. اما در راه‌اندازی خود تصمیم گرفتیم که مراحل خنک کردن را نه در سیر زمان، بلکه در فضا پخش کنیم. ما اتم‌ها را به طور هم‌زمان از طریق مراحل کاهش دمای متوالی، به حرکت در می‌آوریم.

او ادامه داد:

در نهایت، اتم‌های فوق سرد به قلب آزمایش می‌رسند، جایی‌که می‌توان از آنها برای تشکیل امواج ماده به‌طور منسجم در یک BEC استفاده کرد. اما در حین استفاده از این اتم‌ها، نمونه‌های جدید نیز در راه‌اند تا BEC را دوباره پر کنند. بدین ترتیب، ما می‌توانیم فرآیند موجود را برای همیشه تغییر دهیم.

محافظت از BEC در برابر نور تولید شده توسط لیزر خنک کننده، اگرچه روی کاغذ ساده است، اما در عمل کمی دشوارتر بود. هم‌چنین در کنار چالش‌های فنی آن، موانع اداری و کاغذبازی‌های آن نیز مشکلاتی را به وجود آورد.

چان چیا چن، فیزیک‌دانی که رهبری این مطالعه را برعهده دارد، گفت:

در سال 2013 به آمستردام کوچ کردیم و کار خود را با ایمان، مقداری وام، یک اتاق خالی و تیمی که به‌طور کامل توسط کمک‌های شخصی تامین مالی می‌شد، آغاز کردیم. سپس شش سال بعد، در ساعات اولیه صبح کریسمس 2019، آزمایش ما سرانجام آماده به کار شد. ما برای رفع آخرین مشکل، از ایده اضافه کردن یک پرتو لیزر اضافی استفاده کردیم و بلافاصله تصویری که دریافت کردیم، اولین BEC با موج پیوسته را نشان داد.

اکنون که اولین بخش از لیزر اتمی با موج پیوسته دریافت شده، به نقل از تیم تحقیقاتی، مرحله بعدی بر روی حفظ یک پرتو اتمی پایدار کار تمرکز دارد. آنها می‌توانند با انتقال اتم‌ها به حالت بدون تله و استخراج موج ماده در حال انتشار، این هدف را محقق کنند.

به گفته این تیم، از آنجایی که آنها از اتم‌های استرانسیم استفاده کرده‌اند که یک گزینه محبوب برای BEC محسوب می‌شود، این چشم‌انداز فرصت‌های هیجان‌انگیزی را ایجاد کرده است. برای مثال، تداخل‌سنجی اتمی با استفاده از نمونه‌های BEC استرانسیوم می‌تواند برای انجام تحقیقات نسبیت و مکانیک کوانتومی یا تشخیص امواج گرانشی استفاده شود.

محققان در مقاله خود نوشته‌اند:

آزمایش ما، آنالوگ موج ماده یک لیزر نوری پیوسته با آینه‌های حفره‌ای کاملا بازتابنده است. اثبات این اصل، قطعه‌ای جدید از اپتیک اتم که تاکنون کشف نشده بود را ارائه داده که امکان ساخت دستگاه‌های موج ماده پیوسته را فراهم می‌کند.