اثر فیزیکی در دنیای کوانتومی نیز معتبر است

اثر فیزیکی در دنیای کوانتومی نیز معتبر است

تمبر زمان: 20 ژانویه 2023، 10:45 صبح
گره منبع: 1910243
20 ژانویه 2023 (اخبار نانوورکفیزیکدانان دانشگاه بن به طور تجربی ثابت کرده اند که یک قضیه مهم فیزیک آماری در مورد به اصطلاح «تراکم بوز-اینشتین» کاربرد دارد. نتایج آنها اکنون اندازه‌گیری ویژگی‌های خاصی از «ابر ذرات» کوانتومی و استنتاج ویژگی‌های سیستم را ممکن می‌سازد که در غیر این صورت مشاهده آنها دشوار بود. این مطالعه اکنون در منتشر شده است Physical Review Letters به ("رابطه نوسان - اتلاف برای چگالش فوتون های بوز-انیشتین"). فرض کنید در مقابل شما ظرفی پر از مایع ناشناخته است. هدف شما این است که بفهمید ذرات موجود در آن (اتم‌ها یا مولکول‌ها) به دلیل انرژی حرارتی‌شان چقدر به‌طور تصادفی جلو و عقب می‌روند. با این حال، شما میکروسکوپی ندارید که بتوانید این نوسانات موقعیت را که به عنوان "حرکت براونی" شناخته می شود، تجسم کنید. به نظر می رسد که شما اصلاً به آن نیاز ندارید: همچنین می توانید به سادگی یک شی را به یک نخ ببندید و آن را از داخل مایع بکشید. هر چه نیروی بیشتری اعمال کنید، مایع شما چسبناک تر می شود. و هرچه چسبناک تر باشد، ذرات موجود در مایع به طور متوسط ​​موقعیت خود را تغییر می دهند. بنابراین، ویسکوزیته در یک دمای معین را می توان برای پیش بینی میزان نوسانات استفاده کرد. قانون فیزیکی که این رابطه اساسی را توصیف می کند، قضیه نوسان- اتلاف است. به عبارت ساده بیان می کند: هر چه نیرویی که برای ایجاد مزاحمت از بیرون به یک سیستم نیاز دارید بیشتر باشد، اگر آن را به حال خود رها کنید، به طور تصادفی (یعنی از نظر آماری) به خودی خود نوسان کمتری خواهد داشت. دکتر جولیان اشمیت از مؤسسه فیزیک کاربردی در دانشگاه بن توضیح می دهد: «ما اکنون اعتبار قضیه را برای گروه خاصی از سیستم های کوانتومی برای اولین بار تأیید کرده ایم: میعانات بوز-اینشتین. فوتون‌ها (سبز) می‌توانند توسط مولکول‌های رنگ (قرمز) «بلع» شوند و بعداً مجدداً «بیرون افکن» شوند. فوتون‌ها (سبز) را می‌توان توسط مولکول‌های رنگ (قرمز) "بلع" کرد و بعداً دوباره "بیرون زد". هر چه این احتمال بیشتر باشد، تعداد فوتون بیشتر در نوسان است. (تصویر: جی. اشمیت، دانشگاه بن)

"فوتن های فوق العاده" از هزاران ذره نور ساخته شده اند

میعانات بوز-انیشتین اشکال عجیب و غریبی از ماده هستند که می توانند به دلیل یک اثر مکانیکی کوانتومی ایجاد شوند: در شرایط خاص، ذرات، اعم از اتم، مولکول یا حتی فوتون (ذراتی که نور را تشکیل می دهند) غیر قابل تشخیص می شوند. صدها یا هزاران نفر از آنها در یک "ابر ذره" واحد - میعانات بوز-اینشتین (BEC) ادغام می شوند. در یک مایع در دمای محدود، مولکول ها به طور تصادفی به جلو و عقب حرکت می کنند. هر چه مایع گرمتر باشد، این نوسانات حرارتی بارزتر هستند. میعانات بوز-اینشتین نیز می توانند نوسان داشته باشند: تعداد ذرات متراکم متفاوت است. و این نوسان نیز با افزایش دما افزایش می یابد. اشمیت تأکید می‌کند: «اگر قضیه نوسان اتلاف برای BECها اعمال شود، هرچه نوسان در تعداد ذرات آنها بیشتر باشد، آنها باید با حساسیت بیشتری به یک اغتشاش خارجی پاسخ دهند.» متأسفانه، تعداد نوسانات در BECهای معمولاً مورد مطالعه در گازهای اتمی فوق سرد برای آزمایش این رابطه بسیار کم است. با این حال، گروه تحقیقاتی پروفسور دکتر مارتین ویتز، که در آن اشمیت یک رهبر گروه تحقیقاتی جوان است، با میعانات بوز-انیشتین ساخته شده از فوتون کار می کند. و برای این سیستم محدودیت اعمال نمی شود. این فیزیکدان که اخیراً برنده جایزه بسیار اعطایی برای دانشمندان جوان اتحادیه اروپا شده است، توضیح می‌دهد: «ما فوتون‌های BEC خود را با مولکول‌های رنگ برهم‌کنش می‌کنیم. وقتی فوتون‌ها با مولکول‌های رنگ تعامل می‌کنند، اغلب اتفاق می‌افتد که یک مولکول یک فوتون را «بلع» کند. در نتیجه رنگ از نظر انرژی برانگیخته می شود. بعداً می تواند این انرژی برانگیختگی را با "تفک کردن" یک فوتون آزاد کند.

فوتون های کم انرژی کمتر بلعیده می شوند

این فیزیکدان می گوید: "به دلیل تماس با مولکول های رنگ، تعداد فوتون ها در BEC های ما نوسانات آماری زیادی را نشان می دهد." علاوه بر این، محققان می‌توانند قدرت این تغییر را دقیقاً کنترل کنند: در آزمایش، فوتون‌ها بین دو آینه محبوس می‌شوند، جایی که به صورت بازی پینگ‌پنگ به عقب و جلو منعکس می‌شوند. فاصله بین آینه ها می تواند متفاوت باشد. هر چه بزرگتر شود، انرژی فوتون ها کمتر می شود. از آنجایی که فوتون های کم انرژی کمتر احتمال دارد مولکول رنگ را تحریک کنند (بنابراین کمتر بلعیده می شوند)، تعداد ذرات نور متراکم اکنون بسیار کمتر است. اکنون فیزیکدانان بن بررسی کردند که چگونه میزان نوسان با "پاسخ" BEC مرتبط است. اگر قضیه نوسان اتلاف برقرار باشد، این حساسیت باید با کاهش نوسان کاهش یابد. اشمیت، که همچنین عضو منطقه تحقیقاتی فرا رشته ای (TRA) "موضوع" در دانشگاه بن و خوشه تعالی "ML4Q - ماده و" است، تأکید می کند: «در واقع، ما توانستیم این تأثیر را در آزمایشات خود تأیید کنیم. نور برای محاسبات کوانتومی. همانند مایعات، اکنون می توان خواص میکروسکوپی میعانات بوز-انیشتین را از پارامترهای پاسخ ماکروسکوپی استنباط کرد که به راحتی قابل اندازه گیری است. اشمیت می گوید: «این راه را برای کاربردهای جدید باز می کند، مانند تعیین دقیق دما در سیستم های پیچیده فوتونیک.

تمبر زمان:

بیشتر از نانورک