با قطره های کوانتومی ، رقیق ترین مایع شناخته‌شده در جهان آشنا شوید

MacTavish · 25/8/19

اخیرا تیمی از فیزیکدانان بارسلونای اسپانیا موفق شدند تا قطره های کوانتومی کوچکی که به عنوان رقیق ترین مایع جهان شناخته می‌شوند را به وجود آورند.

در مقاله‌ای که محققان موسسه ICFO اسپانیا، چند روز گذشته در ژورنال “Science” به چاپ رساندند،‌ جزئیات این دستاورد علمی بزرگ ذکر شده است؛ به طور دقیق‌تر می‌توان گفت که این قطره های کوانتومی عجیب در دنیای شبکه‌های لیزری که به عنوان ساختاری نوری برای دست‌کاری اشیا کوانتومی شناخته می‌شوند،‌ پدید آمده‌اند.

نکته قابل‌توجه در مورد این کشف هم ماهیت مایع ماده ساخته شده است که برخلاف گازها، بدون تحت تاثیر قرار گرفتن توسط شرایط دمایی محیط اطراف، حجم خود را حفظ می‌کنند. از طرف دیگر، چگالی کم این قطره‌ها باعث شگفتی دانشمندان شده است؛ محققان گزارش کردند که مایع ساخته‌شده چیزی در حدود 100 میلیون بار از آب رقیق‌تر بوده و به واسطه فرآیندی به نام نوسان کوانتومی (Quantum fluctuation)، با وجود چگالی بسیار پایین، در حالت مایع خود باقی می‌مانند.

فرآیند ساخت قطره های کوانتومی

پژوهشگران اسپانیایی برای دستیابی به این ماده گاز اتم‌های پتاسیم را تا دمای 273.15- سلسیوس (نزدیک دمای صفر مطلق) سرد کردند و در این دما شاهد شکل‌گیری ساختاری به نام چگالش بوز-اینشتین (Bose–Einstein condensate) بودند؛ در این حالت ماده، اتم‌های سرد شده در کنار هم جمع می‌شوند و به اصطلاح روی هم قرار می‌گیرند؛ اما نکته جالب شکل‌گیری این نوع از ساختار ماده این است که چگالش معرفی‌شده تحت قوانین فیزیک کوانتوم عمل می‌کند و با قواعد فیزیک کلاسیک که تقریبا رفتار تمامی مواد قابل‌مشاهده در اطراف ما را توضیح می‌دهند، سازگاری ندارد.

در زمانی که فیزیکدانان دو مورد از چگالش یادشده را به یکدیگر فشردند، نوعی قطره کوچک به وجود آمد که برخلاف قطرات آب و یا مایعات دیگر که به واسطه فعل و انفعال الکترومغناطیسی شکل سیال خود را نگه می‌دارند، ساختارش را به کمک پروسه نوسان کوانتومی حفظ می‌کرد.

جالب است بدانید که بر اساس اصل عدم قطعیت (Uncertainty principle) مکانیک کوانتومی که توسط فیزیکدانی به نام ورنر هایزنبرگ ارائه شد،‌ ذرات به صورت بنیادی دارای یک سطح خاص از انرژی نبوده و در یک مکان واحد قرار نگرفته‌اند؛ به همین دلیل است که می‌توان با اعمال فشاری مخصوص و بسیار ناچیز، کاری کرد که آن‌ها شکل قطره به خود بگیرند.

از طرف دیگر شگفتی دستیابی به این شکل از قطره های کوانتومی، نیرویی است که ذرات تشکیل دهنده پتاسیم مایع استفاده‌شده را در کنار یکدیگر قرار می‌دهد. سیال‌های کوانتومی دیگری مانند هلیوم مایع وجود دارند که همانند ماده ساخته‌شده تحت تاثیر نوسان کوانتومی هستند، اما تا پیش از این دانشمندان به هیچ وجه توانایی ساخت مایعی که در این سطح‌ از غلظت قرار بگیرد را نداشتند.

=

به صورت کلی هلیوم در آزمایش‌های کوانتومی استفاده زیادی دارد،‌ اما بر اساس ادعای این تیم تحقیقاتی اسپانیایی، قطره‌های پتاسیم به وجود آمده هشت برابر از هلیوم مایع رقیق‌تر بوده و دو برابر حجیم‌تر هستند؛‌ با این تفاسیر انتظار می‌رود که در آینده نزدیک قطرات پتاسیم جای سیال هلیوم را در آزمایشگاه‌های کوانتومی بگیرند.