Programmable Doppler real-space pattern formation in cold atoms

في المختبرات الهادئة حيث يدرس الفيزيائيون أبرد مادة في الكون، لا تكون الذرات جزيئات فوضوية ومتصادمة كما هي في التجربة اليومية. فعند تبريدها إلى درجات حرارة تقل بجزء بسيط من الدرجة عن الصفر المطلق، تتباطأ هذه الذرات حتى تتحرك بوقار مدروس، يكاد يكون متثاقلاً. وقد عرف العلماء منذ زمن طويل كيفية استخدام الضوء للتحكم في هذه الحركة؛ فمن خلال تسليط أشعة الليزر على سحابة من الذرات، يمكنهم خلق قوة تشبه الاحتكاك تعمل على إبطاء حركة الذرات، مما يحبسها في مجموعة ضيقة وباردة. وتعد هذه التقنية، المعروفة بالتبريد، هي الأساس للعديد من التجارب الحديثة. ومع ذلك، هناك طريقة مختلفة لاستخدام الضوء؛ فإذا تم ضبط الليزر بشكل مختلف قليلاً، يمكنه القيام بعكس ذلك: فبدلاً من إبطاء الذرات، فإنه يدفعها بعيداً عن بعضها البعض، ويسرعها في اتجاهات محددة. وهذا يخلق وضعاً تنقسم فيه سحابة واحدة من الذرات إلى مجموعات متميزة تتحرك بسرعات مختلفة. وبينما لوحظ تأثير الانقسام هذا من قبل، إلا أنه عادة ما يؤدي إلى انتشار فوضوي وغير منضبط للذرات. وكان التحدي يكم L في تحويل هذا الانقسام الفوضوي إلى شيء دقيق ومفيد.

لقد وجد باحث في جامعة كامبريدج الآن طريقة لإتقان هذه العملية، وتحويل مجرد دفع وسحب بسيط للضوء إلى وسيلة لبناء أنماط معقدة من الذرات الباردة. عملهم، الموصوف في دراسة جديدة، يقدم تقنية يسمونها بروتوكول "التقسيم والتوقف" (split-stop). تخيل سحابة من الذرات كأنها كرة واحدة ناعمة من الغبار. يستخدم الباحث تسلسلاً محدداً من نبضات الليزر لتقسيم هذه الكرة أولاً إلى قطعتين منفصلتين، ودفع كل منهما بعيداً عن الأخرى. ثم، وقبل أن تبتعد القطع كثيراً أو تفقد شكلها، يستخدم نوعاً ثانياً من نبضات الليزر للإمساك بها بلطف، وإبطائها حتى تصبح ساكنة تقريباً مرة أخرى. عند هذه النقطة، تكون القطعتان مستقرتين ولكن مكانهما في الفراغ قد انفصل. ثم يكرر الباحث العملية؛ حيث يقسم كل قطعة من هاتين القطعتين الساكنتين إلى قطعتين إضافيتين، لينتج أربع قطع. ثم يوقفها مرة أخرى. ومن خلال تكرار دورة التقسيم والتوقف هذه، يمكنهم مضاعفة عدد المجموعات المتميزة والساكنة، وترتيبها في خطوط أو شبكات منظمة وأنيقة.

اختبر الباحث هذه الفكرة باستخدام محاكاة حاسوبية صممت لنمذجة سلوك ذرات السترونشيوم، وهو نوع من المعادن يُستخدم غالباً في هذه التجارب بسبب خصائصه المحددة. لقد برمج المحاكاة لتماثل الظروف الواقعية في المختبر، باستخدام أشعة ليزر مضبوطة بشكل مختلف قليلاً عن التردد الطبيعي للذرات. في الجزء الأول من دراستهم، ركزوا على إنشاء خط أحادي البعد. بدأوا بسحابة واحدة من الذرات وطبقوا نبضة ليزر ذات انزياح أزرق (blue-detuned)، والتي عملت مثل دفعة لطيفة، تدفع الذرات بعيداً عن بعضها البعض إلى مجموعتين تتحركان في اتجاهين متعاكسين. وفور ذلك، انتقلوا إلى نبضة ذات انزياح أحمر (red-detuned)، والتي عملت مثل المكابح، لتبطئ تلك المجموعات المتحركة وتعيدها إلى حالة شبه سكون. وكانت النتيجة عبارة عن حزمتين متميزتين وساكنتين من الذرات تقبعان جنباً إلى جنب. كرروا هذه الدورة مرتين إضافيتين؛ وفي كل مرة، تضاعف عدد الحزم: اثنتان أصبحت أربعاً، وأربع أربع أصبحت ثمانية. وبحلول نهاية التسلسل، الذي استغرق حوالي 51 مللي ثانية، نجحوا في إنشاء خط من ثماني مجموعات منفصلة ومحددة جيداً، وكلها ساكنة في الفراغ.

ثم توسع الباحث في هذه الطريقة ليشمل الأبعاد الثنائية، بهدف إنشاء شبكة مربعة. استخدموا أشعة ليزر قادمة من أربعة اتجاهات للتحكم في الذرات في المستويين الأفقي والرأسي في آن واحد. كانت الفيزياء تعمل بنفس الطريقة: الضوء ذو الانزياح الأزرق دفع الذرات بعيداً عن بعضها البعض إلى أربع مجموعات، تتحرك نحو زوايا مربع وهمي. ثم قام الضوء ذو الانزياح الأحمر بالإمساك بها، وإبطائها حتى تصبح ساكنة. تماماً كما في الحالة أحادية البعد، كرروا هذه الدورة. أنشأت الدورة الأولى شبكة 2 في 2. وأنشأت الثانية شبكة 4 في 4. أما الدورة النهائية فقد أنتجت مربعاً مثالياً بمقاس 8 في 8، يحتوي على 64 حزمة متميزة من الذرات. استغرقت العملية بأكملها حوالي 67 مللي ثانية. وطوال عمليات المحاكاة هذه، تتبع الباحث بدقة سرعة وموقع كل ذرة، لضمان بقاء الحزم متماسكة وعدم اندماجها معاً. ووجدوا أن المجموعات النهائية كانت مفصولة بفجوات واضحة وكانت درجات حرارتها منخفضة جداً، مما يعني أن الذرات بداخلها كانت تتحرك ببطء شديد.

يوضح هذا العمل أنه من الممكن برمجة الضوء لنحت ترتيب الذرات الباردة بدقة عالية. لم يستخدم الباحث أي حاويات مادية أو مصائد مغناطيسية معقدة لإبقاء الذرات في مكانها؛ بل تشكل النمط بالكامل من خلال توقيت ولون نبضات الليزر. وتشير الدراسة إلى أنه من خلال ضبط مدة النبضات وكثافة الضوء، يمكن للعلماء إنشاء مجموعة متنوعة من الأشكال والأحجام من المصفوفات الذرية. وبينما تُظهر المحاكاة الحالية تكوين الخطوط والمربعات، يمكن تكييف الطريقة لإنشاء أشكال هندسية أكثر تعقيداً. ويشير الباحث إلى أن هذا النهج يوفر طريقة بسيطة نسبياً لإعداد توزيعات مهيكلة من الذرات، مما قد يكون مفيداً لتجارب المستقبل في الفيزياء الكمية. وتعتمد النتائج على نماذج حاسوبية تتضمن الطبيعة العشوائية لكيفية امتصاص الذرات للضوء وانبعاثه، ورغم أنها لم تُنفذ بعد في مختبر فيزيائي، إلا أن المعايير المستخدمة تستند إلى إعدادات تجريبية حقيقية قائمة. والنتيجة هي عرض محاكاة واضح لكيفية تحويل دورة بسيطة ومتكررة من الدفع والتوقف لسحابة واحدة من الذرات إلى بنية معقدة متعددة الحزم.