فیزیکدانان روش جدیدی برای ایجاد “ذرات ترکیبی” پیدا کردند

MacTavish · 8/1/20

بیگ بنگ: فوتون‌ها – ذرات بنیادی نور – دارای چندین ویژگی جالب هستند؛ برای مثال، ذرات نور به یکدیگر برخورد نمی‌کنند. البته این عامل، مانعی برای انجام تحقیقات نیست و محققان به تلاش‌های علمی‌شان ادامه می‌دهند. فیزیکدانان دانشگاه شیکاگو راهکار انعطاف‌پذیر و تازه‌ای را برای وادار کردن فوتون‌ها برای رفتار مثل ذرات ِ تشکیل دهندۀ ماده یافتند. اگر دانشمندان بتوانند فوتون‌ها را مجبور به برخورد با یکدیگر بکنند، احتمالا فناوری‌های فوق‌العاده‌ای نصیب بشر می‌شود.

به گزارش بیگ بنگ، روشی که می‌توان از آن استفاده کرد تا فوتون وجود یکدیگر را به رسمیت بشناسند، وادار کردن آنها برای روبرو شدن با همدیگر در محدوده اتم و ترکیب ویژگی‌هایشان با ویژگی‌های الکترون است. محققان چندین سال است که اینگونه برهمکنش‌ها را در آزمایشگاه مورد مطالعه قرار داده‌اند. همکاری بین الکترون و فوتون نوعی شبه ذرۀ «هیبریدی (ترکیبی)» به نام پولاریتون به وجود می‌‌آورد. البته مهم نیست چه نامی بر روی آنها می‌گذارید، برخورداری از ویژگی‌های نورمانند این فرصت را به پولاریتون‌ها میدهد تا در فضا با سرعت بیشتری حرکت کنند. البته فضای ملاقات اتمی آنها مشخص می‌کند که چه برهمکنشی انجام می دهند. ذرات کم جرم فوتون مانند از پتانسیل بالایی در محاسبه و ارتباطات رمزگذاری شده برخوردارند؛ لذا فیزیکدانان مشتاق‌اند تا راهکار تازه‌ای را برای کنترل آنها پیدا کنند.

فیزیکدان دانشگاه شیکاگو «لوگان کلارک» بیان کرد: «ما با یک مشکل روبرو شده بودیم، زیرا فوتون‌ها فقط با اتم‌هایی برهمکنش می‌کنند که اوربیتال‌های الکترونی‌شان در سطح انرژی خیلی خاصی قرار دارند. ما با محدودیت‌های زیادی برای بهره‌گیری از الکترون در سطوح مختلف انرژی روبرو هستیم. من به دنبال روش‌هایی هستم تا پیچیدگی‌های سطح انرژی اتم‌ها را دستکاری کنم و در این راستا از میتوان از فیزیک کوانتوم استفاده کرد چرا که اگر برخورد مناسبی با اوربیتال‌های الکترون شود، می‌توان آن را به نسخه‌های دیگری تقسیم کرد. ما همیشه این نسخه‌ها یا کپی‌ها را بعنوان عوارض جانبی در نظر می‌گرفتیم، نَه بعنوان هدف. اما این بار هدف‌مان تولید این نسخه‌هاست.»

برای وادار کردن یک ذره برای اینکه به شیوه کوانتومی مناسب و دلخواه رفتار کند، کاربرد مهندسی «Floquet» لازم است که ریشه در تاریخ بررسی میدان‌های الکترومغناطیسی دارد. کلارک و تیم تحقیقاتی‌اش از لیزر برای قرار دادن الکترون‌ها در اتم برانگیخته روبیدیم استفاده کردند. آنها الکترون‌ها را وادار به حرکت به گونه‌ای کردند که بطور موثر طیف رنگ اتم را دستخوش تغییر قرار داد. اهمیتی ندارد که هیدروژن در کجای جهان قرار داشته باشد، همواره طیف رنگی یکسانی را منتشر می‌سازد. این ویژگی به محققان کمک می‌کند تا سایر عناصر را در فواصل دوردست ِ فضا، شناسایی کنند.

البته فیزیکدانان با بهره‌گیری از راهکارهایی توانستند اوربیتال الکترون‌های روبیدیوم را تغییر دهند. تنظیم لیزر باعث شد الکترون‌ها تکانه‌ای را تجربه کنند که چند سطح انرژی ِ جدید از هر اوربیتال به وجود آید. سپس نوبت به ترکیب فوتون‌ها با اوربیتال‌های الکترون رسید که در سطوح مختلف بودند. با این شرایط، تغییری در “شبه ذره” پدید آمد که محققان آن را پولاریتون فلوکت(Floquet Polariton) نامیدند. این هیبریدها ویژگی‌های نور را دارند، با مقدار کمی جرم که در اثر برهمکنش آن با الکترون حاصل می آید. برخلاف سایر پولاریتون‌ها، این هیبریدها در فضایی وجود دارند که میتواند به شکل بهتری دستکاری شود و با تنظیم فرکانس محیط‌شان کنترل شوند.

کلارک گفت: «پولاریتون‌های فلوکت سرشار از نکته‌های جالب و شگفت‌انگیز هستند؛ ما هنوز در تلاش هستیم تا به اطلاعات بیشتری درباره آنها دست پیدا کنیم. ما در مرحله بعدی تحقیقات‌مان میخواهیم از این فوتون‌های برخوردکننده برای ایجاد سیال‌های توپولوژیکی از نور ایجاد کنیم. این کار بسیار شگفت‌انگیز خواهد بود.»

استفاده از روش مهندسی فلوکت برای مطابقت رنگین کمان نور از منابع متعدد یقینا موجب پیشرفت فناوری‌های کوانتومی خواهد شد. افزون بر این، راهکارهای تازه‌ای هم برای مطالعه برهمکنش‌های نور و ماده فراهم خواهد آمد. پولاریتون‌ها شاید پرتوهای سختی از نور نباشند، بلکه شاید بتوانند آینده روشنی را برای علم به ارمغان بیاورند. این مقاله در مجله Nature Letters منتشر شده است.