Production and stabilization of a spin mixture of ultracold dipolar Bose gases

تخيل عالماً لا تصطدم فيه الذرات ببعضها البعض ككرات البلياردو الصغيرة فحسب، بل تعمل كأنها مغناطيسات صغيرة غير مرئية يمكنها الشعور ببعضها البعض من مسافة بعيدة. هذا هو مجال الغازات الكمومية فائقة البرودة، وهو ملعب للعلماء حيث تتصرف المادة بطرق غريبة وسحرية. لفهم قصة هذا البحث، تحتاج لمعرفة ثلاثة أشياء. أولاً، تمتلك الذرات "لفات مغزلية" (spins)، والتي يمكنك التفكير فيها كإبر بوصلة داخلية صغيرة تشير إلى اتجاهات مختلفة. ثانياً، عندما تبرد هذه الذرات لدرجة فائقة، يمكنها أن تتكتل لتشكل موجة واحدة عملاقة تسمى "تكاثف بوز-أينشتاين" (BEC)، حيث تعمل كذرة عملاقة واحدة. ثالثاً، بعض الذرات، مثل الديسبروزيوم، مغناطيسية للغاية. عندما تقترب هذه الذرات، تتفاعل مجالاتها المغناطيسية بقوة، مما قد يكون سلاحاً ذا حدين: فهو يخلق فيزياء جديدة ومثيرة، ولكنه يمكن أيضاً أن يتسبب في اصطدام الذرات وتطايرها، مما يدمر التجربة الدقيقة. لطالما أراد العلماء خلط "لفات مغزلية" مختلفة لهذه الذرات المغناطيسية لمعرفة ما سيحدث، لكن المغناطيس عادة ما يجعل الخليط ينفجر بسرعة كبيرة تمنع دراسته.

يتحدث هذا البحث عن فريق من علماء الفيزياء الذين اكتشفوا كيفية إيقاف هذا الانفجار. لقد أنشأوا خليطاً مستقراً من نوعين محددين من ذرات الديسبروزيوم (يُرمز لهما بالحالة |-8> والحالة |-7>) واكتشفوا "نقطة مثالية" خاصة يتوقف عندها تناحر الذرات وتدمير بعضها البعض. ومن خلال ضبط المجال المغناطيسي بدقة واستخدام حيل الليزر، وجدوا طريقة تجعل الذرات تتعايش بسلام، مما سمح لهم بقياس مدى قوة تفاعل الذرات مع بعضها البعض. يعد هذا أمراً كبيراً لأنه يفتح الباب لدراسة حالات جديدة وغريبة للمادة كان من المستحيل ملاحظتها سابقاً، مما يحول فعلياً فوضى عارمة وقصيرة العمر إلى مختبر مستقر وطويل الأمد للفيزياء الكمومية.

ساحة الرقص المغناطيسية

تخيل هذه الذرات من الديسبروزيوم فائقة البرودة كراقصين على ساحة رقص مغناطيسية مزدحمة للغاية. عادةً، إذا خلطت نوعين مختلفين من الراقصين (لنسمهما الفريق الأزرق والفريق الأحمر)، فسيصبحان متحمسين جداً بجذبهما المغناطيسي لدرجة تجعلهما يتعثران ببعضهما البعض، ويفقدان السيطرة على دورانهم، ويطيران خارج الساحة. في عالم الذرات، يسمى هذا "الاسترخاء ثنائي القطب" (dipolar relaxation). إنه يشبه حلبة "موش بيت" (mosh pit) فوضوية حيث تكون طاقة الاصطدام عالية جداً لدرجة أن الراقصين يُطردون فوراً من الغرفة. لفترة طويلة، اعتقد العلماء أن هذه هي طبيعة اللعبة: إذا أردت خلط هذه الذرات المغناطيسية، فعليك أن تقبل أنها ستختفي في لمح البصر.

لكن الباحثين في هذا البحث، الذين يعملون في مختبر "كاستلر بروسيل" (Kastler Brossel) في باريس، قرروا تجربة تصميم رقص مختلف. لقد ركزوا على "لفين مغزليين" محددين لذرات الديسبروزيوم-162. تخيل هذه كحركات رقص محددة قد تؤدي في الظروف العادية إلى كارثة. استخدم الفريق مزيجاً ذكياً من الليزر والمجالات المغناطيسية لخلق بيئة خاصة. لقد سلطوا شعاع ليزر عمل ككشاف ضوئي، مما غير مستويات طاقة الذرات بدرجة كافية لجعل حركتين محددتين (الحالتين |-7> و |-8>) "مظلمتين". في هذا السياق، لا يعني "مظلمة" أنها غير مرئية؛ بل يعني أن هاتين الحالتين آمنتان من الفوضى المعتادة الناتجة عن الضوء التي قد تطيح بالراقصين من الساحة.

النقطة المثالية السحرية

حدث السحر الحقيقي عندما قاموا بضبط المجال المغناطيسي. يشير البحث إلى أنه عند قوة مجال مغناطيسي محددة تبلغ حوالي 2.5 غاوس (وحدة لقوة المغناطيس)، حدث شيء مذهل. انخفض معدل اصطدام الذرات واختفائها بمقدار 100 ضعف مقارنة بما توقعه العلماء بناءً على قوانين الفيزياء القياسية (المعروفة باسم قانون ويغنر للعتبة - Wigner threshold law).

لماذا حدث هذا؟ يشرح المؤلفون ذلك باستخدام مفهوم "التداخل". تخيل موجتين من الصوت تلتقيان؛ إذا التقى قمة إحدى الموجتين مع قاع الأخرى، فإنهما يلغيان بعضهما البعض، مما يخلق صمتاً. حدث شيء مشابه هنا. للذرات احتمالية الاصطدام وقلب لفاتها المغزلية، لكن هذه الاحتمالية تعتمد على كيفية تداخل "موجاتها" الداخلية. عند تلك القوة المحددة (2.5 غاوس)، تداخلت الموجات الناتجة عن المسارات المختلفة للاصطدام تداخلاً هداماً. كان الأمر كما لو أن الكون ضغط على زر "الإلغاء" للانفجار. كانت الذرات لا تزال تصطدم ببعضها البعض، لكن العملية المحددة التي كانت تطردها عادة من المصيدة تم كبحها بمقدار رتبتين عشريتين. هذا حول لحظة عابرة إلى خليط مستقر وطويل الأمد.

قياس المصافحة غير المرئية

بمجرد أن أصبحت الذرات آمنة ومستقرة، استطاع الفريق أخيراً طرح السؤال الكبير: كيف تتفاعل هاتان النوعان من الذرات فعلياً؟ في العالم الكمومي، يوصف هذا التفاعل بشيء يسمى "طول التشتت" (scattering length)، والذي يمكنك التفكير فيه كمقياس لمدى "ارتداد" أو "التصاق" الذرات عند التقائها.

لمعرفة ذلك، قام الباحثون بأمرين. أولاً، راقبوا سرعة اختفاء الذرات عندما تم خلطها. من خلال تحليل معدل الفقد عند مجالات مغناطيسية مختلفة، استطاعوا حساب قوة التفاعل بين ذرة من الحالة |-7> وذرة من الحالة |-8> عكسياً. ووجدوا أن هذه القيمة تبلغ حوالي 40 إلى 60 ضعف حجم ذرة الهيدروجين (وتقاس بوحدات نصف قطر بور، $a_0$).

ثانياً، نظروا إلى مجموعة نقية من ذرات |-7> فقط. تركوا هذه المجموعة تتمدد وتتطاير بعد تحريرها من مصيدتها. ومن خلال مراقبة كيفية انتشار سحابة الذرات، تمكنوا من قياس مدى قوة دفع ذرات |-7> لبعضها البعض. أعطاهم هذا طول تشتت يبلغ حوالي 110 $a_0$. كما تحققوا من عملهم باستخدام ذرات |-8>، مؤكدين قيمة تبلغ 136 $a_0$، وهو ما يتوافق مع ما وجده علماء آخرون من قبل.

مستقبل الخلطات الكمومية

مع الحصول على هذه الأرقام، استطاع الفريق التنبؤ بما سيحدث إذا خلطوا هذه الذرات بطرق مختلفة. وجدوا أنه في الفضاء ثلاثي الأبعاد، من المرجح أن تدفع القوى المغناطيسية هذين النوعين من الذرات بعيداً عن بعضهما، مما يجعلهما "غير قابلين للامتزاج" (مثل الزيت والماء). ومع ذلك، إذا ضغطوا الذرات في شكل مسطح يشبه الفطيرة (نظام ثنائي الأبعاد)، فإن القواعد تتغير، وقد تمتزج الذرات معاً بسعادة.

يشير البحث أيضاً إلى أنه بالقرب من مجال 2.5 غاوس السحري هذا، توجد "رنينات" أخرى—وهي إعدادات مغناطيسية خاصة حيث يمكن ضبط الذرات لتكون أكثر أو أقل "التصاقاً". وهذا يمنح العلماء "قرص تحكم" لتدويره، مما يسمح لهم باستكشاف أطوار مختلفة من المادة، من الخلطات التي تبقى متماسكة إلى تلك التي تنفصل.

باختصار، لم يكتفِ هذا البحث بإيجاد طريقة لمنع الذرات من الانفجار فحسب؛ بل بنى منصة مستقرة حيث يمكن للعلماء الآن ضبط التفاعلات بين الذرات المغناطيسية بدقة. اتضح أنه من خلال العثور على "النقطة المثالية" المغناطيسية الصحيحة، يمكنك إسكات الفوضى والسماح للرقصة الكمومية بالبدء. وهذا يمهد الطريق لاكتشاف حالات جديدة وغريبة للمادة، مثل "الأجسام الصلبة الفائقة" (supersolids) التي تتدفق دون احتكاك بينما تحتفظ بشكل صلب، وكل ذلك بفضل القليل من التداخل والكثير من الضبط الدقيق.