اتضح أن ما يرتفع لا يجب أن يتراجع.
لقد حقق الفيزيائيون ظاهرة تعرف باسم التبعية ، وفيها ذرات باقية في حالة من الإثارة ، في سحابة كثيفة من الذرات لأول مرة.
أفاد الفيزيائيون في دراسة جديدة أن تسخير اللامبالاة يمكن أن يسمح للعلماء بإنشاء شبكات كمية موثوقة وطويلة العمر من سحب الذرات.
تكتسب الذرات الطاقة عن طريق امتصاص الفوتونات (جسيمات الضوء) التي تجعل إلكتروناتها تقفز من حالة “الأرض” الأقل طاقة إلى الحالة المثارة ذات الطاقة الأعلى. بمجرد أن تكون في حالة الإثارة ، تصدر الذرات فوتونًا تلقائيًا وتعود إلى الحالة الأرضية. لكن هذا ليس هو الحال دائمًا. إذا تم تجميع العديد من الذرات معًا وفصلها بمسافة أقصر من الطول الموجي للفوتون المنبعث ، فإن الضوء المنبعث سيلغي نفسه ، وستبقى الذرات في حالتها المثارة.
متعلق ب: أكبر 18 ألغازًا لم تُحل في الفيزياء
هذه العملية ، التي تسمى subradiance ، تمنع بشكل فعال تحلل مجموعة كبيرة ، أو “مجموعة” ، من الذرات المثارة. وقد لوحظت الإشعاع من قبل في المجموعات الذرية المخففة والمصفوفات الذرية المرتبة ، ولكن لم يحدث ذلك من قبل في السحب الذرية الكثيفة.
الإخضاع يعمل بسبب ظاهرة تسمى التداخل المدمر. عندما يتم عمل موجتين من الضوء بنفس السعة لتشغل نفس الجزء من الفضاء ، يمكن أن تتراصف القمم والقيعان لتجمع معًا بشكل بناء ، مما يجعل الموجة المدمجة ضعف السطوع ، أو بشكل مدمر ، مما يؤدي إلى إلغاء كليهما موجات تماما.
ولكن كيف يمكن لإلغاء الضوء الذي تنبعث منه سحابة من الذرات أن يبقي تلك الذرات متحمسة؟ مفتاح فهم هذه الفكرة ، وفقًا للباحثين ، هو مراقبة الخضوع ميكانيكا الكم – القواعد الاحتمالية الغريبة التي تحكم العالم دون الذري.
على النطاق الصغير للعالم الكمي الغريب ، تتمتع الجسيمات بخصائص تشبه الموجة ويمكنها في نفس الوقت السفر في جميع المسارات اللانهائية بين نقطة وأخرى. المسار الذي “يختار” الجسيم أن يسلكه ، والمسار الذي نلاحظه ، يعتمد على كيفية تداخل الجسيمات الشبيهة بالموجة مع نفسها. ليس التداخل المدمر بين أي فوتونات منبعثة هو الذي يحبس الذرات في حالات مثارة ، ولكن بدلاً من ذلك – وهذا هو الجزء الغريب – احتمال حدوث ذلك ، وهو ما يوقف انبعاث الفوتونات في المقام الأول.
قال المؤلف المشارك Loïc Henriet ، مهندس برمجيات الكم في شركة المعالجات الكمومية الفرنسية Pasqal ، لـ Live Science في رسالة بريد إلكتروني: “لفهم ما هو احتمال وقوع حدث مادي ، تحتاج إلى تلخيص كل المسارات المؤدية إلى هذا الحدث”. “في بعض الحالات ، تتدخل المسارات بشكل بناء وتعزز الظاهرة ، بينما في حالات أخرى ، هناك تأثيرات تداخل مدمرة تمنع الاحتمال. التداخل المدمر للفوتونات التي كانت ستنبعث من الذرات الفردية يمنع اضمحلال الحالة المثارة بشكل جماعي مشترك في المجموعة الذرية “.
للحث على الخضوع في غاز كثيف لأول مرة ، حصر الفريق سحابة من البرد المضطرب الروبيديوم ذرات داخل مصيدة ملقط بصري. تستخدم هذه التقنية ، التي فاز بها العلماء جائزة نوبل في الفيزياء عام 2018 ، شعاعًا عالي التركيز من ضوء الليزر لتثبيت الجزيئات الصغيرة في مكانها. ثم أدى اندفاع ثاني من ضوء الليزر إلى إثارة ذرات الروبيديوم.
العديد من الذرات المثارة تتحلل بسرعة من خلال عملية تسمى الإشعاع الفائق ، والتي ترتبط بالإشعاع ولكن بدلاً من ذلك لديها ذرات تجمع بين ضوءها المنبعث بشكل بناء في وميض شديد الكثافة. لكن بعض الذرات بقيت في حالة خاضعة للإشعاع ، أو “مظلمة” ، غير قادرة على إصدار ضوء من شأنه أن يتداخل بشكل مدمر. مع مرور الوقت ، أصبحت بعض الذرات في الحالات فائقة الإشعاع أيضًا خاضعة للإشعاع ، مما أدى إلى تحوّل السحابة الذرية بشكل متزايد إلى إشعاع.
قال هنريت: “لقد انتظرنا ببساطة أن يتحلل النظام إلى حالات مظلمة من تلقاء نفسه”. “ديناميكية الاضمحلال معقدة نوعًا ما ، لكننا نعلم أن التفاعلات تؤدي بطريقة ما إلى قيام النظام بملء الحالات شبه الإشعاعية في وقت أطول.”
بمجرد أن اكتشفوا طريقة لصنع سحابة تحت الإشعاع ، هز الباحثون الذرات من حالتها المظلمة عن طريق ضبط الملاقط الضوئية ، مما مكن الذرات من إصدار الضوء دون تدخل مدمر. نتج عن هذا اندفاع ضوء من السحابة.
قام الفريق أيضًا بعمل غيوم متعددة بأشكال وأحجام مختلفة من أجل دراسة خصائصها. فقط عدد الذرات في السحابة المثارة هو الذي أثر على حياتها – فكلما زاد عدد الذرات ، استغرقت وقتًا أطول لتتحلل مرة أخرى إلى حالتها الأساسية.
قال هنريت: “تأثيرات التداخل هي تأثيرات جماعية ؛ ولكي يحدث ذلك ، نحتاج إلى عدة بواعث”. “ويصبح أكثر وضوحًا عند زيادة عدد البواعث. مع وجود ذرتين فقط ، سيكون من الممكن أن يكون هناك نوع من الخضوع للإشعاع ، ولكن سيكون تأثيرًا ماديًا صغيرًا جدًا. عن طريق زيادة عدد الذرات ، يمكن للمرء أن يكبح انبعاث الفوتون بشكل أكثر فعالية “.
الآن بعد أن تمكن الباحثون من صنع غيوم ذرية تحت الإشعاع والتحكم فيها ، فإنهم يخططون لدراسة تقنيات ، مثل ترتيب غيومهم في أنماط هندسية منتظمة ، والتي من خلال تمكينهم من ضبط مقدار التداخل الذي يريدونه بدقة ، سوف يمنحهم مزيدًا من التحكم في عمر الذرات المثارة.
يعتقد الباحثون أن اكتشافهم سيساعد في تطوير العديد من التقنيات الجديدة ، مثل أجهزة الكمبيوتر الكمومية الجديدة وأجهزة استشعار أكثر دقة للتنبؤ بالطقس.
نشر الباحثون النتائج التي توصلوا إليها في 10 مايو في مجلة Physical Review X.
نُشر في الأصل على Live Science.