تصوير الذرات في حركة الموجات الكمية

طوّر علماء فيزيائيون في مختبر كاستلر بروسيل في باريس تقنية جديدة قوية لمراقبة السلوك الموجي للذرات المنفردة أثناء تحركها في الفضاء بشكل مباشر. فمن خلال التحكم الدقيق في الذرات فائقة البرودة باستخدام أشعة الليزر وتصويرها باستخدام مجهر متطور، تمكن الباحثون من التقاط بعض أوضح الأدلة حتى الآن على موجات المادة أثناء حركتها. وتوفر النتائج التي توصلوا إليها، والتي نُشرت في طبعة مسبقة حديثة، لمحة مثيرة عن العالم الكمي الغامض للجسيمات المنفردة.

جميع الجسيمات لها خصائص تشبه الجسيمات وتشبه الموجات وفقًا للقواعد الغريبة لميكانيكا الكم. فعلى مقياس الذرات وأصغر من ذلك، تتصرف الأجسام بمهارة كموجات حتى وإن ظلت جسيمات يمكن عدها بوضوح. وقد درست التجارب السابقة موجات المادة بشكل غير مباشر من خلال تأثيرات التشتت، لكن التصوير المباشر للموجات الذرية المنفردة أثبت أنه أمر صعب. وقد سعى الفريق الفرنسي إلى تغيير ذلك من خلال تطوير طريقة لإسقاط وظائف الموجات الذرية بسلاسة على شبكة بصرية ثم تحديد المواقع الذرية بدقة من خلال تصوير الجسيمات المنفردة.

يوريس فيرستراتن، كونلون داي، ماكسيم ديكسميرياس، برونو بوديكيرف، تيم دي يونغ، طارق يفصح

التحضير والتصوير في الموقع لحزم الموجات أحادية الذرة. (أ) مخطط القياس: يتم تحضير ذرات منفردة بالقرب من الحالة الأرضية للمذبذب التوافقي لمواقع فردية لشبكة ضوئية مثلثة تم إنشاؤها بواسطة شعاع ليزر ذاتي التداخل مع متجهات موجية 𝐤↪ND7CF↩، و𝐤↪ND7D0↩↪ND7D↩ و𝐤↪ND7D↩↪ND7D↩↪ND7D↩↪ND7D↩↪ND7D↩1. تُطلَق حزم الموجات المحصورة في البداية في آبار الشبكة، التي تتميز بتوزيع كثافة احتمالية غاوسي |𝜓0(𝐫)|2، في مستوى، مما يسمح لها بالتمدد لفترة زمنية معينة. للتصوير بعد التمدد، يتم تكثيف الشبكة بسرعة مرة أخرى، مما يؤدي إلى إسقاط حزمة الموجة، ويتم تطبيق التبريد الجانبي لرامان لتثبيت الذرة في موقع واحد. ويتم تسجيل المواقع الذرية الناتجة عن ذلك من خلال التصوير الفلوري الذي تم حله في الموقع. ومن خلال العديد من التكرارات لحزم موجية معدة بشكل متماثل، نُنشئ رسومًا بيانية للمواضع المسقطة مع تقسيمات معطاة من خلال بنية الشبكة، مما ينتج عنه توزيع احتمالي مقيس |𝜓0(𝐫)|2. (ب) صورة تجريبية أحادية الذرة محلولة تجريبياً. تُظهِر اللوحة العلوية اليمنى منطقة فرعية تحتوي على ذرة مفردة. تعرض اللوحة اليمنى السفلية منطقة مكبرة من الصورة التي تظهر عليها بنية الشبكة المثلثية المعاد بناؤها بمسافة 𝑎𝐿=709 نانومتر على شكل نقاط بيضاء. (ج) التكوين التجريبي لمصيدة ثنائي القطب الضوئي المفلطح الذي يحصر الذرات في مستوى ثنائي الأبعاد، وأشعة رامان (R1 وR2 وRP) المستخدمة للتبريد والتصوير، وهدف المجهر. (د) منظر علوي للتكوين التجريبي، يُظهر هندسة شعاع الشبكة الضوئية.

وتعطي نتائجهم مصداقية لتخمين جريء - أنه على المقاييس الكلية، يمكن فهم الكون بأكمله على أنه موجة طاقة كبيرة من المادة، وإدراكنا للواقع هو مجرد تفسير واعٍ لهذا التدفق الكمي المستمر. يمكن وصف الذرات والبشر والكواكب والمجرات - يمكن وصفها جميعًا على أنها أنماط احتمالية متكررة ضمن حركة كونية لا نهاية لها. لا شيء يبقى ساكنًا حقًا وفقًا لهذا المنظور، وهو ما يفسر لماذا لم يجد الفيزيائيون أبدًا السكون المطلق في تحقيقاتهم في الطبيعة.

من خلال إتاحة نافذة على الوظائف الموجية الكمية المراوغة، يقربنا هذا العمل خطوة أخرى من تصور العالم الكمي بشكل كامل. ومن خلال التقاط بعض أوضح الصور حتى الآن للجسيمات التي تخضع لطبيعتها الموجية والجسيمية المزدوجة، ارتقى الباحثون الفرنسيون بالفحص المجهري الكمي الذري إلى مستوى جديد. وتوفر نتائجهم تأكيدًا مذهلًا للقواعد الغريبة لميكانيكا الكم وتفتح آفاقًا مثيرة للاكتشاف المباشر في أعمق مقاييس الطبيعة.

المرجع (المراجع)

1. 1.  https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.05699

انقر على TAGS للاطلاع على المقالات ذات الصلة :

الذرات | الفيزياء | الكم | الموجات | الموجات