Levitated optomechanics with cylindrically polarized vortex beams

في الزوايا الهادئة للفيزياء الحديثة، يتعلم العلماء كيفية إمساك ذرات متناهية الصغر في الهواء باستخدام ضغط الضوء فقط. هذه التقنية، المعروفة باسم الرفع البصري، تستخدم شعاعاً مركزاً من ضوء الليزر ليعمل مثل ملقط غير مرئي، حيث يعلق جسيماً نانوياً في فراغ. وبمجرد أن يطفو، يمكن تبريد هذه الجسيمات إلى حالة تتحرك فيها وكأن الزمن قد توقف تقريباً، مما يسمح للباحثين بدراسة القواعد الغريبة لميكانيكا الكم على أجسام يمكن رؤيتها بالعين المجردة إذا تم تكبيرها بما يكفي. والهدف هو إنشاء نوع جديد من الأنظمة الكمومية، نظام ضخم بما يكفي لاختبار الحدود القصوى لكيفية عمل الكون، من سلوك الجاذبية إلى خلق حالات للمادة تتحدى تجربتنا اليومية. ومع ذلك، فإن مشكلة مستمرة أعاقت هذا المجال: وهو أن الضوء نفسه المستخدم لإمساك الجسيم يعمل أيضاً على تسخينه. فبينما ترتد الفوتونات عن الجسيم، فإنها تعطيه ركلات صغيرة، وهي عملية تسمى "تسخين الارتداد"، مما يسبب اهتزاز الجسيم ويدمر الحالات الكمومية الدقيقة التي يحاول العلماء بناءها. وللمضي قدما، يحتاج الباحثون إلى طريقة لحجز هذه الجسيمات بلطف أكبر، مما يقلل الحرارة والاهتزاز دون فقدان قبضتهم عليها.

اقترح فريق من الفيزيائيين في جامعة كوليدج لندن حلاً يغير شكل ولون الضوء المستخدم في الحجز. فبدلاً من شعاع الضوء المستدير التقليدي الذي تستخدمه معظم التجارب، استكشفوا استخدام أشعة خاصة حيث تلتوي موجات الضوء في أنماط محددة، تُعرف بالاستقطاب الأسطواني. تخيل شعاع ضوء حيث يدور اتجاه مجاله الكهربائي حول المركز مثل أسلاك العجلة، أو حيث يشكل الضوء حلقة بها ثقب مظلم في المنتصف. استخدم الباحثون عمليات محاكاة حاسوبية لنمذجة كيفية تفاعل هذه الأشعة المعقدة مع نوعين من الكرات الصغيرة: إحداهما مصنوعة من السيليكون، وهي مادة تحني الضوء بقوة، والأخرى من السيลิكا، وهي المادة الزجاجية المستخدمة في معظم التجارب الحالية. وقد وجدوا أنه من خلال الانتقال إلى هذه الأشعة الملتوية والحلقية، يمكنهم حجز جسيمات السيليكون بشكل أكثر فعالية من ذي قبل، والأهم من ذلك، مع حرارة أقل بكثير.

كشفت الدراسة أن الطريقة القياسية للحجز، والتي تعتمد على شعاع ضوء مستدير بسيط، تواجه صعوبة عند التعامل مع جسيمات السيليكون الكبيرة بما يكفي للتفاعل مع الضوء بطرق معقدة. في هذه الحالات، يمكن للضوء أن يدفع الجسيم بعيداً بدلاً من إمساكه، أو يمكنه تسخين الجسيم لدرجة تجعله غير مستقر. واكتشف الباحثون أنه باستخدام شعاع ذي مركز مظلم، حيث تكون شدة الضوء صفراً، يمكنهم حجز جسيم السيليكون في تلك المنطقة الهادئة والمظلمة. طريقة "الحجز المظلم" هذه تبقي الجسيم بعيداً عن الجزء الأكثر كثافة من الضوء، مما يقلل من عدد الفوتونات التي تصطدم به، وبالتالي يقلل من كمية الحرارة المتولدة. وفي عمليات المحاكاة التي أجروها، قللت هذه الطريقة من التسخين الناتج عن ركلات الفوتونات بمعامل يزيد عن عشرة أضعاف مقارنة بالطريقة التقليدية. وهذا يعني أن الجسيم يمكن أن يبقى في حالة كمومية هادئة لفترة أطول بكثير، مما يمنح العلماء مزيداً من الوقت لإجراء تجاربهم.

كما نظر الفريق في نوع آخر من الأشعة الملتوية التي تركز الضوء في نقطة ساطعة وضيقة جداً. وبينما لا توفر طريقة "الحجز المضيء" هذه نفس مستوى التبريد الذي يوفره الحجز المظلم، إلا أنها تسمح بإنشاء مصائد أكثر حدة ودقة. وتعد هذه الدقة قيمة لأنها تسمح للعلماء بالتحكم في حركة الجسيم بسرعة ودقة عاليتين. علاوة على ذلك، أظهر الباحثون أنه من خلال تغيير لون ضوء الليزر ببساطة، يمكنهم تغيير شكل المصيدة نفسها. استطاعوا جعل المصيدة تجذب الجسيم، أو تدفعه بعيداً، أو حتى إنشاء مشهد تصبح فيه حركة الجسيم غير خطية للغاية. وهذه القدرة على إعادة تشكيل مشهد طاقة الوضع ضرورية لخلق حالات الحركة الغريبة وغير الكلاسيكية التي هي الهدف النهائي لهذا المجال من البحث.

وبعيداً عن ميكانيكا الحجز، كان على الباحثين مراعاة درجة حرارة الجسيمات نفسها. فالسيليكون، رغم كونه ممتازاً للتفاعل مع الضوء، يمتص الكثير من الطاقة ويمكن أن يسخن بشدة، مما قد يؤدي إلى انصهاره إذا كان الليزر قوياً جداً. وأظهرت عمليات المحاكاة أنه بينما قللت طرق الحجز الجديدة من التسخين الناتج عن ركلات الفوتونات، إلا أن الجسيمات لا تزال تمتص طاقة كافية لتصل إلى درجات حرارة قريبة من نقطة انصهارها إذا كانت قدرة الليزر عالية. ولحل هذه المشكلة، اقترح المؤلفون تحولاً في المواد؛ حيث اقترحوا استخدام نوع مختلف من أشباه الموصلات، وهو خليط من الألمنيوم والغاليوم والزرنيخ، والذي يمتلك خصائص بصرية مشابهة للسيليكون ولكنه أفضل بكثير في مقاومة الحرارة التي تؤدي إلى الانصهار. وأشارت حساباتهم إلى أنه باستخدام هذه المادة الجديدة، حتى عند قدرات الليزر العالية، ستظل الجسيمات مستقرة وباردة بما يكفي للنجاة من التجربة.

إن العمل المقدم في هذه الورقة هو عبارة عن محاكاة، أي استكشاف رياضي مفصل لكيفية سلوك الضوء والمادة تحت هذه الظروف المحددة. وهي لا تصف بعد تجربة فيزيائية حيث تم بناء هذه الأشعة واختبارها في المختبر. ومع ذلك، فإن النتائج مقنعة بما يكفي للإيحاء بمسار واضح للمضي قدماً. فمن خلال الجمع بين هذه الأشعة المشكلة خصيصاً واختيار المادة المناسبة، قد يتمكن العلماء أخيراً من التغلب على حاجز التسخين الذي حد من هذا المجال لفترة طويلة. وتشير النتائج إلى أن مستقبل الأنظمة الكمومية المعلقة لا يكمن فقط في تبريد الجسيمات أكثر، بل في تصميم الضوء نفسه ليكون أكثر لطفاً، ودقة، وقابلية للتكيف. هذا النهج يفتح الباب لحجز جسيمات أكبر وأكثر تعقيداً، وإبقائها ثابتة لفترة كافية لمشاهدة الظواهر الغريبة والجميلة لعالم الكم بمقياس كان بعيد المنال سابقاً.