تداخل تک‌اتمی !

[∆ MeRzaD ∆]

فیزیک‌پیشه‌ها در ایالات متحده مدعی‌شده‌اند که برای اولین بار تداخل تک اتمی را در فواصلی بسیار بیش‌تر از طول هم‌بستگی اتمی مشاهده کرده‌اند. در این آزمایش انبرک نوری و یک سری تپ‌های لیزر برای جهاندن اتم در طول دو مسیر متفاوت و ملاقات دوباره پس از ۱ms، به‌کار می‌روند. گروه می‌گوید که اگر بشود دقت این آزمایش را بیش‌تر کرد، می‌تواند به داده‌های تازه‌ای درباره‌ی وجود احتمالی گرانش غیر نیوتونی در فواصل میکرونی بیانجامد.

پژوهش‌گران می‌گویند که هم‌چنین می‌توان این روش را برای مطالعه‌ی نیروی ضعیف ایجاد شده میان اتم و سطح راه‌برنده، که اثر کازیمیر-پولدر نامیده می‌شود، به‌کار برد.

در جهان عجیب مکانیک کوانتومی، مادامی که یک اندازه‌گیری روی مکان یا تکانه انجام نشده‌باشد، یک اتم می‌تواند در یک برهم‌نهی از دو مسیر وجود داشته باشد. این ویژگی می‌تواند در یک تداخل ماده-موج به کار بسته‌شود، جایی‌که -هرچند عجیب به نظر می‌آید- تک اتم می تواند تا آشکارساز هم‌زمان دو مسیر متفاوت را دنبال کند. نیروهای وارد بر اتم یک اختلاف فاز نسبی درست می‌کنند و این‌گونه باعث تغییراتی در الگوی تداخل ایجاد شده در محل به‌هم رسیدن مسیرها، می‌شوند.

چنین آزمایش‌هایی پیش از به‌کاربستن آنسامبل‌های بزرگ از اتم‌ها، انجام و تپ‌های اتمی درست شده‌اند که در طول هر کدام از مسیرها حرکت می‌کنند. سپس اتم‌ها الگوی تداخلی در آشکارساز می‌سازند، که می‌توان اندازه‌گیری‌اش کرد و برای به‌دست‌آوردن ثابت گرانش یا کج‌روی‌ها نسبت به نظریه‌ی گرانش نیوتن به‌کارش بست. اما تا امروز ایجاد تداخل ماده-موج با فرستادن تک اتم‌ها به درون دری‌چه ممکن نبوده‌است، چراکه بیش‌تر آزمایش‌‌های تداخل‌سنجی تپی، برپایه‌ی ظرفیت بالای اتمی در افزایش سیگنال در آشکارساز و درنتیجه کاهش کنترل در سطح تک‌اتمی می‌باشند .

راه‌نمایی تک‌اتم‌ها

روش جدید ماده-موج تک‌اتمی توسط ل. پل پارازولی، آرون هانکین و گرنت بیدرمن در آزمایش‌گاه‌های ملی ساندیا در نیومکزیکو ارائه شده‌است. روش آن‌ها از این روی با آزمایش‌های پیشین متفاوت است که هر اتم سفر خود را در انبرک‌های نوری -نور لیزری که بر منطقه‌ی کوچکی که اتم در آن نگاه داشته‌می‌شود، متمرکز شده‌است - آغاز کرده و پایان می‌دهد.


پژوهش‌گران سندی، ابری از اتم‌های کائسیوم ابرسردی را که با به‌کاربستن ترکیبی از نور لیزر و میدان مغناطیسی، گیرافتاده و تا ۲/۴ میکروکلوین سرد شده‌ بودند،استفاده کردند ؛ و پیش از روشن کردن تپ‌های لیزر، انبرک‌های نوری را در گازی که تنها می‌توانست یک اتم را نگاه دارد، ایجاد کردند، تا اتم را به حالت کوانتومی خاصی ببرند. سپس انبرک‌های نوری را خاموش کردند تا اتم آزادانه سقوط کند.


پرتاب به بالا و پایین

اولین تپ، اتم را به برهم‌نهی دو حالت -یکی که ضربه‌ی روبه‌بالای فوتونی را دریافت کرده‌‌است و به همین علت دارد بالا می‌رود و یکی که دارد سقوط می‌کند چون ضربه‌ای دریافت نکرده‌است- می‌برد. تپ دوم یا به اتمی که در حرکت روبه بالاست یا آن‌‌که در حال سقوط است ضربه‌ی روبه بالایی می‌زند -نتیجه دو مسیر است که پس از ۵۰۰μs، و در نقطه‌ای که تپ لیزر سوم معلوم می‌کند،به هم می‌رسند. زمانی که حالت‌ها یکی شوند، انبرک دوباره روشن شده‌ و حالت کوانتومی اتم اندازه‌ گرفته می‌شود.
کل فرآیند صدها بار تکرار می‌شود تا تفاوت فاز دو مسیر و سپس نیروی گرانش وارد بر اتم تا مرتبه‌ی ۲۷-۱۰×۳ نیوتن تعیین شود.

زمانی‌که فاز نسبی لیزرهای تپی تنظیم شدند، پارازولی، هانکین و بیدرمن ‌توانستند الگوی تداخل واضحی ببینند؛ و این ضمانت می‌کرد که پدیده‌ی تداخل‌باخود تک‌اتم‌ها رخ داده‌است. در آزمایش‌های‌شان، تفاوت میان دو حالت اتمی به بزرگی ۵/۳ میکرومتر بود، که بیش از ۲۰۰ برابر بزرگ‌تر از طول هم‌بستگی اتم‌های به‌کاررفته است. به‌عنوان یک نتیجه، گروه ادعا می‌کند که این اولین اثبات برای تداخل تک‌اتمی «فضای آزاد»  می‌باشد -و فضای آزاد به این حقیقت بازمی‌گردد که اتم مقید نبوده و آزاد است که حالت‌هایش را در فضا مجزا کند.

«بسیار جالب»

پل هامیلتون از دانش‌گاه کالیفرنیا، برکلی، که در این پروژه هم‌کار نبوده، به physicsworld.com گفته‌است که پژوهش‌گران سندیا «تداخل‌سنجی کاملی کرده‌ و پایداری بلندمدت بوده‌است.» او هم‌چنین این آزمایش را «یک اثبات پایه برای تداخل تک‌اتمی» می‌نامد.

گروه ساندیا باور دارد از آن‌جا که این روش در هر لحظه تنها از یک اتم  استفاده می‌کند، می‌توان آن را در اندازه‌گیری‌های به شدت موضعی نیروهای بسیار نزدیک به سطح مانند نیروی کازیمیز-پولدر که میان یک اتم و سطح هادی رخ می‌دهند،‌ به‌کاربست. مانند نیروی کازیمیر آشناتر، این نیرو از انرژی نقطه‌ی‌صفر خلا برمی‌خیزد و نتایجی در طراحی و به‌کاربستن ابزارهای مکانیکی میکرونی و نانومتری دارد.

این گروه هم‌چنین ادعا می‌کند که اگر حساسیت این روش تا دو مرتبه‌ی بزرگی بیش‌تر شود، می‌تواند برای ایجاد قیدهای تازه‌ای بر نظریه‌های گرانش غیرنیوتنی، در مقیاس‌های طول میکرونی به‌کاررود. به‌هرروی، اگر معلوم شود که در چنین ابعاد کوچکی گرانش نیوتنی نیست، می‌تواند سرنخ‌های مهمی به‌دست دهد که نظریه‌ی گرانش چگونه باید با مدل استاندارد فیزیک ذرات سازگار شود. پارازولی می‌گوید «در موارد دیگر این دست تداخل‌سنجی‌ها درجه‌بندی‌های کاملی ارائه داده‌اند؛ ویژگی کارآمدی در شناسایی کج‌روی‌ها نسبت به قانون عکس مجذور در مقیاس میکرونی.»