Narrow-line magneto-optical trap of titanium atoms

في الزوايا الهادئة للفيزياء الحديثة، يحاول الباحثون باستمرار إبطاء أسرع الأشياء في الكون: الذرات. ومن خلال استخدام حزم ضوئية مضبوطة بعناية، يمكن للعلماء العمل كمكابح، مما يبطئ الذرات حتى تصبح شبه ساكنة. هذه العملية، المعروفة باسم التبريد بالليزر، تحول سحابة فوضوية من الغاز الساخن إلى مجموعة هادئة وفائقة البرودة من الجسيمات. وعندما تُحبس هذه الذرات في مجال مغناطيسي أثناء تبريدها، يُسمى الجهاز "المصيدة المغناطيسية الضوئية". وتعد هذه المصائد أدوات أساسية لأنها تسمح للعلماء بدراسة الذرات بدقة مذهلة، مما يكشف عن أسرار تتعلق بالوقت والجاذبية والطبيعة الأساسية للمادة. وبينما تم ترويض العديد من العناصر بهذه الطريقة، فإن بعضها أصعب في الإمساك به من غيره. فالتيتانيوم، وهو معدن معروف بقوته وخفته، يعد صعب المراس بشكل خاص لأن ذراته لا تمتلك مساراً بسيطاً وسهل الاستخدام للتبريد؛ فهي تتطلب نهجاً أكثر دقة، باستخدام لون محدد من الضوء يتفاعل مع الذرة بطريقة دقيقة وضيقة للغاية.

نجح فريق من الباحثين في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، في بناء نوع جديد من مصائد ذرات التيتانيوم التي تستخدم هذا الضوء الدقيق والضيق. لقد تمكنوا من تبريد ذرات التيتانيوم إلى درجة حرارة تزيد قليلاً عن جزء من مليون من الدرجة فوق الصفر المطلق. ولتوضيح ذلك، فإن هذه الدرجة أبرد من الفراغات العميقة في الفضاء الخارجي. حقق الفريق ذلك من خلال الإمساك أولاً بالذرات باستخدام شبكة ضوئية واسعة وقوية، ثم نقلها بلطف إلى مصيدة ثانية أكثر دقة بكثير. تستخدم هذه المرحلة الثانية شعاعاً واحداً من الضوء بطول موجي قدره 1040 نانومتر، مضبوط على درجة لون زرقاء محددة بالنسبة للرنين الذري، لتثبيت الذرات في مكانها ضد مجال مغناطيسي. وبمجرد استقرار الذرات، أضاف الباحثون أربعة حزم أخرى لضغط السحابة من جميع الجوانب، مما خلق كرة ثلاثية الأبعاد كثيفة وفائقة البرودة من التيتانيوم.

بدأت العملية بسحابة من ذرات التيتانيوم كانت قد بردت بالفعل بواسطة مصيدة ليزر قياسية ذات خط عريض. ثم قام الباحثون بإيقاف تشغيل الضوء العريض وأدخلوا شعاعاً واحداً من الضوء بطول موجي 1040 نانومتر. تم ضبط هذا الضوء بعيداً قليلاً عن اللون الذي تفضله الذرات لامتصاصه، وهي تقنية تُعرف باسم "إزاحة التردد" (detuning). ولأن الذرات كانت تجلس داخل مجال مغناطيسي تتغير قوته من المركز نحو الخارج، فقد تفاعل الضوء معها بشكل مختلف اعتماداً على موقعها. وجد الباحثون أنه من خلال استخدام ضوء "أزرق" قليلاً عن اللون المثالي، يمكنهم دفع الذرات إلى حالة مغناطيسية محددة حيث يتم تثبيتها بواسطة المجال المغناطيسي، بدلاً من دفعها بعيداً. سمح هذا للذرات بالاستقرار في غلاف رقيق حيث تتوازن القوى الضوئية والمغناطيسية بشكل مثالي.

بمجرد تجميع الذرات في هذه المصيدة أحادية الشعاع، أضاف الفريق أربع حزم ضوئية أخرى تتحرك أفقياً لتبريد الذرات من الجوانب أيضاً. أدت هذه الخطوة النهائية إلى ضغط السحابة، مما قلل درجة حرارتها في جميع الاتجاهات. وكانت النتيجة سحابة من ذرات التيتانيوم بدرجة حرارة 1.28 من مليون من الدرجة في ثلاثة أبعاد، ومنخفضة بقدر 990 من مليار من الدرجة في اتجاه واحد فقط. كما قاس الباحثون المدة التي بقيت فيها الذرات في حالتها المثارة قبل العودة للأسفل، ووجدوا أنها استمرت حوالي 8.2 ميكروثانية. أكد هذا القياس أن الضوء المستخدم للتبريد له نطاق ألوان ضيق للغاية، وهو بالضبط ما هو مطلوب لمثل هذا التبريد الدقيق.

كان الاكتشاف الرئيسي في هذا العمل هو كيفية سلوك الذرات داخل المصيدة. تمتلك ذرات التيتانيوم شخصية مغناطيسية قوية، مما يعني أنها تتفاعل بقوة مع المجالات المغناطيسية. وجد الباحثون أن ما يقرب من جميع الذرات، بنسبة تزيد عن 98 في المائة، انتهت في نفس الحالة المغناطيسية، المعروفة باسم "حالة السبين الممتد" (stretched spin state). هذا التوحيد أمر بالغ الأهمية للتجارب المستقبلية لأنه يعني أن جميع الذرات تتصرف بنفس الطريقة المتوقعة. كما اختبر الفريق نسختين أخريين من التيتانيوم، تُسميان "النظائر"، والتي لها أوزان مختلفة قليلاً. وقد تمكنوا من الإمساك بهذه النسخ الأثقل والأخف في نفس المصيدة وقياس الاختلافات الطفيفة في لون الضوء الذي تحتاج لامتصاصه. وتفتح هذه القدرة على صيد أنواع مختلفة من التيتانيوم الباب لاستخدام هذه الذرات في قياسات أكثر حساسية.

يعتمد نجاح هذه التجربة على توازن دقيق بين القوى. فالمجال المغناطيدي يحاول جذب الذرات نحو المركز، بينما يدفعها الضوء بعيداً. ومن خلال ضبط الضوء على ظل أزرق محدد، خلق الباحثون وضعاً تُدفع فيه الذرات إلى حالة يمسكها المجال المغناطيسي، بينما يحافظ الضوء على برودتها. وهذا يختلف عن المصائد التقليدية حيث يدفع الضوء الذرات ببساطة للعودة إلى المركز. هنا، يعمل الضوء كدليل، يوجه الذرات إلى داخل قفص مغناطيسي. لاحظ الباحثون أن حوالي 25 في المائة من الذرات من المصيدة العريضة الأولية انتقلت إلى هذه المصيدة الجديدة الأكثر دقة، وهو معدل نجاح كبير لعملية نقل دقيقة كهذه.

كما تم قياس عمر الذرات المحبوسة، مما أظهر أنها يمكن أن تبقى في المصيدة لمدة تقارب نصف ثانية قبل أن تبتعد. وهذا الوقت طويل بما يكفي لإجراء العديد من التجارب. وحدد الباحثون أن الذرات لم تُفقد بسبب خلل في الضوء أو المجال المغناطيسي، بل لأنها تصطدم أحياناً بجزيئات غاز شاردة في غرفة الفراغ. وهذا يشير إلى أنه مع فراغ أفضل، يمكن الاحتفاظ بالذرات لفترة أطول. كما أكدت الدراسة أن ذرات التيتانيوم لم تفقد طاقة فيما بينها بطريقة تؤدي إلى تسخينها، وهي مشكلة حدت من أنواع أخرى من تجارب الذرات الباردة.

يُظهر هذا العمل أن التيتانيوم، بتركيبته الداخلية المعقدة، يمكن ترويضه وتبريده إلى درجات حرارة كان يُعتقد سابقاً أنه من الصعب الوصول إليها. إن القدرة على إنشاء مثل هذه السحابة الباردة والكثيفة من ذرات التيتانيوم توفر منصة جديدة للعلماء لاستكشاف العالم الكمي. فهي توفر طريقة لدراسة كيفية تفاعل الذرات مع المجالات المغناطيسية والضوء بطرق لا تتوفر مع العناصر الأبسط. كما توفر النتائج قياساً دقيقاً للمدة التي تستغرقها الحالة المثارة لذرة التيتانيوم، وهي خاصية أساسية تساعد العلماء على فهم سلوك الذرة. ومن خلال إتقان فن تبريد التيتانيوم، أضاف الباحثون أداة قوية جديدة إلى مجموعة أدوات الفيزياء الذرية، والتي يمكن أن تؤدي إلى اكتشافات جديدة في السنوات القادمة.