نقض یک قانون کوانتومی منجر به دستیابی به سرمای زیر صفر مطلق شد

غشا کوچک آلومینیومی، که بیشتر از حد کوانتومی سرد شده، ثابت می کند که می توانیم اشیاء را بیش از این هم سرد سازیم. شاید تا دمایی کمتر از صفر مطلق هم برسیم.

گویا آی تی – هیچ چیزی را نمی‌توان تا دمای زیر صفر مطلق (-۲۷۳٫۱۵ ℃) سرد کرد چون در این دما، تمام حرکت های مولکولی به طور کامل متوقف می‌شود. طبق اصل عدم قطعیت پییر هایزنبرگ (Per Heisenberg) ، نیروهای سرعت اولیه‌ی ذرات واقعی، همیشه بزرگتر از صفر هستند. این، حد مطلقیست که به نظر نمی‌آید شکسته شود. آنچه دانشمندان را آزار می‌دهد، محدودیت‌های دیگریست که مانع سرد کردن اشیا تا دمای زیر صفر مطلق می شوند.

به مدت چند دهه، محققان برای سرمایش اتم‌ها تا دمای بسیار نزدیک به صفر مطلق، از لیزرها استفاده کردند. با این حال، وقتی چیزی را به طور میکروسکوپی تا نزدیک صفر سرد می کنیم، مثل اینست که با کابل برق یا حتی سکه، به یک دیوار آجری ضربه می‌زنید – “یک حد کوانتومی” وجود دارد که از سرمایش بیش از حد اشیاء مکانیکی جلوگیری می‌کند.
فیزیکدان‌های مؤسسه‌ی ملی استاندارد و تکنولوژی (NIST)، مطمئن نبودند که این حد، یک حد بنیادی است و در آزمایش ها به شواهد خوبی در این زمینه دست یافتند، چون یافته‌های آنها نشان می‌دهد که ذرات میکروسکوپی را می‌توان بیشتر از چیزی که قبلا فکر می‌کردیم، سرد کرد.
تیم NIST با استفاده از لیزرها غشا آلومینیومی را تا ۳۶۰ میکروکلوین یا ۱۰۰۰۰ برابر سردتر از خلاء فضا سرد کردند. این غشای ارتعاشی کوچک، ۲۰ میکرومتر قطر و ۱۰۰ نانومتر ضخامت دارد. این، سردترین چیزیست که ابعاد آن بزرگتر از تعداد کمی اتم کنار هم می باشد.

به گفته‌ی جان توفل، فیزیکدان NIST که این آزمایش ها را رهبری کرده است: “هرچه غشا را بیشتر سرد کنید، برای هر کاربردی بهتر عمل می کند. حسگرها، حساس‌تر می‌شوند. می‌توانید اطلاعات را برای مدت بیشتری ذخیره کنید. اگر از آن در کامپیوتر کوانتومی استفاده کنید، بدون هیچ انحرافی محاسبات را انجام می دهید و همان پاسخی را که می‌خواهید می‌گیرید.”
جوز آمنتادو، سرپرست گروه توفل و همکار وی می گوید: “نتایج، برای کارشناسان این حوزه بسیار شگفت‌انگیز بود. آزمایش بسیار حساسیست که قطعا آثار زیادی دارد.”
همه با لیزر آشنا هستند، اما آیا همه می دانند که از لیزرهای شلیکی برای سرد کردن اشیا استفاده می شود؟ البته این کاربرد با شهود ما در تضاد است، زیرا همیشه تصور می کردیم از لیزرها برای سرد کردن اشیا استفاده می شود. اما این فقط در صورتی است که کل نور تولید شده در لیزر را به سمت شی هدایت کنید. نوعی لیزر وجود دارد که برای سرد کردن آتش در یک زاویه و فرکانس خاص استفاده می شود. معمولا برای انجام این کار از چند لیزر استفاده می کنند. به این ترتیب سرعت فوتون ها به شکل هوشمندانه ای افزایش یافته و به جای آنکه انرژی خود را آزاد کنند، انرژی را از شی مورد نظر می ربایند. این کار با هل دادن اتم ها انجام می شود.

لیزر شلیکی
مواردی که در این مقاله خواندید شما را سردرگم کرده اند؟ این سردرگمی زمانی آغاز می شود که به معنای دما فکر می کنید: حرکت اتم ها. وقتی احساس گرما می کنیم، اتم ها با سرعت بیشتری به هم کشیده می شوند و یکدیگر را صیقل می دهند. وقتی هوای بیرون سرد است، مولکول های هوا آرامتر حرکت می کنند. در نتیجه، آنچه دانشمندان در هنگام شلیک لیزری انجام می دهند، در واقع هل دادن اتم ها در جهت مخالف حرکت آنهاست. و از آنجایی که فوتونی توسط اتم (های) هدف جذب می شوند، اندازه حرکت فوتون به اتم منتقل می گردد.
پالس های لیزر، مانند هر نور دیگری، بسته های انرژی که کوانتا نامیده می شوند را شلیک می کنند. یعنی میان شلیک بسته ها یک فاصله زمانی وجود دارد که به اتم ها فرصت می دهد حرکت خود را از سر بگیرند. به این ترتیب نور کار می کند و مکانیک کوانتومی نشان می دهد که حد بالاتری هم وجود دارد. در گذشته، محققان NIST از سرمایش باند جانبی برای محدود کردن حرکت گرمایی یک غشای آلومینیومی میکروسکوپی استفاده می کردند که مانند یک پوست طبل (یا پرده صماخ) ارتعاش می کرد تا زمانی که حرکت کوانتومی آن به یک سوم مقدار اولیه برسد.

محققان NIST با استفاده از “نور فشرده” در روند سردسازی با لیزر یک گام فراتر رفتند. نور فشرده نوری است که در یک جهت مشخص بیش از جهت های دیگر سازمان یافته شده است. با فشرده سازی نور، نویز یا افت و خیز های ناخواسته آن، از یک خاصیت مفید نور به سمت جنبه دیگری از آن هدایت می شود که بر نتیجه آزمایش تاثیر نگذارد. تیم NIST از یک مدار ویژه برای تولید فوتونهای مایکروویو استفاده کردند که عاری از نوسانات بوده یا نوسانات آن حذف شده است. به این ترتیب گرمایش ناخواسته غشا کاهش می یابد.
توفل می گوید “نویز به صورت رندوم به شیئی که قصد سرد کردن آن را دارید ضربه می زند یا آن را گرم می کند. ما نور را در سطحی “جادویی”، یعنی با جهت گیری و فشردگی بسیار خاص و ویژه، فشرده می سازیم تا فوتون های کاملا همبسته با شدت ثابتی تولید شوند. این فوتون ها هم شکننده هستند وهم قدرتمند”.
به نظر می رسد مقاله NIST که در نشریه Nature منتشر شده ، نشان می دهد نور فشرده حد سرمایشی که تا کنون پذیرفته بودیم را جابجا می کند. توفل می گوید تکنیک اثبات شده آنها، می تواند به گونه ای اصلاح شود که اشیا را از آنچه تصور می کردیم هم سردتر سازد و آن را حتی به خود صفر مطلق برساند. و خانم ها و آقایان! این سردترین چیزی است که تا کنون دیده اید.

توفل به واشنگتن پست گفت: “در اصل، اگر نور کاملا فشرده ای داشته باشید، می توانید سردسازی را به طور کامل انجام دهید. مهم نیست در مرحله بعدی این تحقیق چه کاری انجام دهیم، به هر حال فعلا توانسته ای در کیسه ابزارهای خود ترفندی را جای دهیم که به ما اجازه می دهد همیشه با دستگاهی سردتر، بی سر و صداتر و بهتر از آنچه تا کنون به کار می بردیم کارها را آغاز کنیم. ای امر در انجام هر نوع کار علمی به ما کمک خواهد کرد”.