Formation of bosonic $^{23}$Na$^{41}$K Feshbach molecules

في أكثر الأجزاء برودة في المختبر، حيث تنخفض درجات الحرارة إلى ما يقرب من الصفر المطلق، تفقد الذرات فوضاها الفردية وتبدأ في التحرك كموجة واحدة موحدة. هذا هو عالم الغازات الكمومية فائقة البرودة، وهو مجال يتلاعب فيه العلماء بالمادة للكشف عن سلوكياتها الأكثر جوهرية. ومن بين أكثر الأدوات إثارة في هذا المجال هي جزيئات "فيشباخ" (Feshbach molecules)، وهي أزواج من الذرات تترابط ليس عبر الروابط الكيميائية القوية التي تشكل الماء أو الهواء، بل عبر قوة مغناطيسية دقيقة وقابلة للضبط. ومن خلال تعديل مجال مغناطيسي خارجي، يمكن للباحثين ضبط قوة التجاذب بين الذرات، محولين إياها من جسيمات طافية بحرية إلى أزواج مرتبطة بضعف. وتعد هذه الجزيئات حجر زاوية حاسم؛ فإذا تمكن العلماء من تبريدها بشكل أكبر وحجزها في أدنى حالة طاقة ممكنة لها، فإنها تصبح جسيمات مستقرة وشديدة التفاعل ذات ثنائي قطب كهربائي دائم. ويمكن لهذه الجزيئات أن تعمل كمغانط صغيرة تتواصل مع بعضها البعض عبر مسافات طويلة، مما يوفر منصة جديدة لمحاكاة المواد المعقدة، واختبار قوانين الفيزياء، وبناء تقنيات الكم المستقبلية.

لقد اتخذ فريق من الباحثين في جامعة بوخانغ للعلوم والتكنولوجيا في كوريا الجنوبية الآن خطوة مهمة نحو هذا الهدف من خلال إنشاء نوع محدد من هذه الجزيئات فائقة البرودة باستخدام ذرات الصوديوم والبوتاسيوم. وبينما نجحت تجارب سابقة في إنشاء جزيئات مماثلة باستخدام تركيبات أخرى من العناصر، ركزت هذه المجموعة على نسخة "بوزونية" من الصوديوم-23 والبوتاسيوم-41. ويحظى هذا الاقتران المحدد بتقدير كبير لأن الذرات المعنية تمتلك خصائص تجعلها مرشحة ممتازة لتشكيل سحب ضخمة ومستقرة من المادة الكمومية. وكان الإنجاز الرئيسي للفريق هو النجاح في إنشاء هذه الجزيئات ووضع خريطة تفصيلية لمدى بقائها قبل التفكك، مما يوفر خارطة طريق واضحة للتجارب المستقبلية التي تهدف إلى إنشاء غاز متحلل كمومياً بالكامل من هذه الجسيمات.

بدأت العملية بمزيج من ذرات الصوديوم والبوتاسيوم فائقة البرودة المحتجزة في شعاع من ضوء الليزر. تم تبريد الذرات إلى درجات حرارة منخفضة تصل إلى 170 نانو كلفن، وهي حالة تتحرك فيها ببطء شديد. ولربطها معاً، طبق الباحثون مجالاً مغناطيسياً محدداً يبلغ حوالي 73.6 غاوس، وهو إعداد تميل فيه الذرات طبيعياً للارتباط في أزواج. ثم استخدموا نبضة دقيقة من الموجات الراديوية لدفع الذرات بلطف من حالتها الحرة إلى حالة جزيئية مرتبطة بضعف. هذه التقنية، المعروفة باسم "الارتباط بالتردد الراديوي"، تعمل مثل الشوكة الرنانة التي تطابق فرق الطاقة بين الذرات الحرة والجزيء الجديد، مما يسمح للزوج بالالتحام معاً. وفي نبضة واحدة، تمكن الفريق من إنشاء أكثر من 10,000 من جزيئات الصوديوم والبوتاسيوم هذه من السحابة الحرارية.

بمجرد تشكل الجزيئات، احتاج الباحثون إلى فهم خصائصها لضمان إمكانية استخدامها لمزيد من التبريد. قاموا بقياس الطاقة التي تربط الجزيئات معاً من خلال مسح التردد الراديوي ومراقبة وقت ظهور الجزيئات. سمح لهم ذلك بتحديد المجال المغناطيسي الدقيق الذي يحدث عنده الارتباط وتحديد عرض هذا الرنين، والذي تبين أنه واسع جداً عند 5.1 غاوس. ويعد الرنين الواسع ميزة قيمة لأنه يعني أن العلماء يمكنهم ضبط التفاعلات بين الذرات عبر نطاق واسع دون الحاجة إلى إصابة قيمة مجال مغناطيسي واحدة مستحيلة الدقة. وهذا المتانة تجعل النظام أسهل بكثير في التحكم للتجارب المستقبلية.

لعل استقرار هذه الجزيئات هو العامل الأكثر أهمية لاستخدامها المستقبلي. فقد قاس الباحثون المدة التي عاشتها الجزيئات في المصيدة قبل أن تصطدم بالذرات الأخرى وتتفكك. عندما كانت الجزيئات محاطة بالمزيج الأصلي من الصوديوم والبوتاسيوم، صمدت لأكثر من 2 ميلي ثانية. ومع ذلك، عندما أزال الباحثون ذرات الصوديوم المتبقية من المصيدة، عاشت الجزيئات لفترة أطول بشكل ملحوظ، حيث صمدت لمدة 7 ميلي ثانية تقريباً. وهذه الزيادة في مدة البقاء حيوية لأنها تمنح العلماء وقتاً كافياً للقيام بالخطوات التالية من تجربتهم، مثل نقل الجزيئات إلى أدنى حالة طاقة لها باستخدام نبضات الليزر. ووجد الفريق أن مدة البقاء هذه ظلت ثابتة عبر إعدادات المجال المغناطيسي المختلفة، مما يشير إلى أن الجزيئات مستقرة بطبيعتها ضد أنواع الاصطدامات التي تدمرها عادةً.

لفهم كيفية تشكل هذه الجزيئات وفقدانها بدقة، طور الفريق نموذجاً رياضياً يتتبع عدد الجزيئات والذرات بمرور الوقت. ووجدوا أن إنشاء الجزيئات كان محدوداً في المقام الأول بمدى سرعة قدرة الموجات الراديوية على ربط الذرات معاً، بدلاً من تفكك الجزيئات فوراً. وأظهر نموذجهم أن الجزيئات فُقدت غالباً نتيجة اصطدامها بذرات الصوديوم المتبقية، وأن هذا الفقد حدث بشكل متكرر أكثر بكثير من الاصطدامات مع ذرات البوتاسيوم. ومن خلال تعديل نسبة الصوديوم إلى البوتاسيوم في المصيدة، قاموا بتحسين العملية لإنشاء أقصى عدد من الجزيئات، ليصل إلى ذروة قدرها 11,000 جزيء. هذا الفهم الكمي يسمح لهم بالتنبؤ بالضبط بعدد الجزيئات التي سيحصلون عليها في ظل ظروف مختلفة، مما يزيل التخمين من العملية.

تمثل هذه النتائج أساساً متيناً للمرحلة التالية من البحث. لقد أثبت الفريق قدرتهم على إنتاج عدد كبير من هذه الجزيئات المحددة بكثافة عالية، وهو شرط مسبق لتبريدها بشكل أكبر إلى غاز متحلل كمومياً. ولأن الجزيئات مستقرة لعدة ميلي ثوانٍ، فهناك وقت كافٍ لتطبيق تقنيات الليزر المعقدة اللازمة لنقلها إلى حالتها الأرضية المطلقة، حيث تصبح مستقرة كيميائياً وجاهزة للمحاكاة الكمومية المتقدمة. ومع هذا النجاح في إنشاء وتوصيف جزيئات الصوديوم والبوتاسيوم البوزونية، أصبح الطريق الآن ممهداً لاستكشاف الفيزياء الغنية للغازات ثنائية القطب شديدة التفاعل، مما قد يؤدي إلى اكتشافات جديدة في كيفية سلوك المادة الكمومية على نطاق واسع.