A cryogenic apparatus with a rotatable substrate for matrix isolation spectroscopy of BaF in neon crystals down to 3.2 K

لفهم العمل الموصوف هنا، يجب على المرء أولاً أن يستوعب فكرة بسيطة ولكنها قوية في الفيزياء: لكي ترى الطبيعة الحقيقية للجزيء، يجب أن توقفه عن الحركة. في العالم الطبيعي، تكون الذرات والجزيئات في حالة حركة مستمرة ومجنونة، حيث تتصادم وتدور بسرعة كبيرة لدرجة أن إشاراتها الداخلية تتداخل وتتلاشى. يستخدم العلماء تقنية تسمى "عزل المصفوفة" لحل هذه المعضلة. يقومون بحبس جزيء معين داخل كتلة صلبة من غاز خامل وغير ضار، مثل النيون، ثم يجمدون هذه الكتلة إلى درجات حرارة أبرد من أعماق الفضاء. في هذا القفص الصلب والمتجمد، يتم تثبيت الجزيء تماماً، مما يسمح للباحثين بدراسة سلوكه بدقة متناهية. هذه الطريقة ذات قيمة خاصة في البحث عن خاصية شبحية للإلكترون تسمى "عزم ثنائي القطب الكهربائي". إذا كانت هذه الخاصية موجودة، فإنها ستزعزع فهمنا للقوانين الأساسية للكون، لكنها صغيرة جداً لدرجة أنها تتطلب أكثر البيئات سكوناً وهدوءاً ممكنة للكشف عنها.

قام فريق من الباحثين الآن ببناء آلة جديدة مصممة خصصاً لإنشاء هذه الأقفاص المتجمدة وفائقة البرودة لجزيء يسمى "أحادية فلوريد الباريوم". يعد هذا الجزيء مرشحاً رئيسياً لهذا البحث لأن ذرة الباريوم الثقيلة فيه تضخم التأثيرات الضئيلة التي يبحث عنها العلماء. قام الباحثون ببناء غرفة مفرغة متطورة تعمل كمختبر لنمو هذه البلورات. في الداخل، يستخدمون ليزر عالي القدرة لضرب هدف صلب من فلوريد الباريوم، مما يؤدي إلى إنشاء سحابة من الذرات والجزيئات. بعد ذلك، يتم جرف هذه السحابة بواسطة تيار من الغاز البارد — إما النيون أو شكل خاص من الهيدروجين — إلى غرفة حيث تهبط على لوح من الياقوت (السافير). يتم تبريد هذا اللوح بواسطة مبرد ميكانيكي إلى درجة حرارة مذهلة تبلغ 3.2 كلفن، وهي درجة حرارة أعلى قليلاً من الصفر المطلق. عند هذا البرد الشديد، تتجمد جزيئات الغاز فوراً، مكونة بلورة صلبة تحبس أحادية فلوريد الباريوم بداخلها.

ما يجعل هذا الجهاز الجديد فريداً هو قدرته على تدوير العينة المتجمدة دون كسر الفراغ أو رفع درجة حرارتها. بمجرد نمو البلورة، يمكن للباحثين تدوير اللوح لمواجهة أدوات قياس مختلفة. يمكنهم تسليط الليزر عبر البلورة لرؤية مقدار الضوء الذي تمتصه، أو يمكنهم تدويرها لتواجه مرآة تجمع الضوء الذي تشع به البلورة. تسمح هذه المرونة لهم بدراسة نفس البلورة الواحدة بطرق متعددة، مما يضمن أن قياساتهم متسقة وليست منحرفة بسبب الاختلافات بين العينات المنفصلة. باستخدام هذا الإعداد، نجح الفريق في تنمية بلورات من النيون المطعّم بأحادية فلوريد الباريوم وأكدوا أن الجزيئات كانت محبوسة ومستقرة. عندما سلطوا ضوء ليزر محدد على البلورة، امتصت الجزيئات الطاقة ثم أعادت انبعاثها على شكل توهج، أو "فلورة". ومن خلال تحليل هذا التوهج، حددوا حالات الطاقة المحددة للجزيئات، مؤكدين أن بيئة بلورة النيون تتصرف تماماً مثل الحالة الغازية، وهو بالضبط ما هو مطلوب للقياسات الدقيقة.

اختبر الباحثون أيضاً النظام باستخدام نوع مختلف من الغاز، وهو شكل خاص من الهيدروجين يُعرف باسم "بارا-هيدروجين". وبينما كان النيون يعمل بشكل جيد، فإن الهيدروجين نظرياً أفضل لهذه التجارب لأنه أخف ويتفاعل بشكل أقل مع الجزيئات المحبوسة. نجح الفريق في إنتاج أحادية فلوريد الباريوم باستخدام الهيدروجين كغاز تبريد، مما يمثل خطوة أولى مهمة نحو تنمية البلورات في هذا الوسط المتفوق. ومع ذلك، كشفت الدراسة أيضاً عن تحدٍ يجب إدارته في التجارب المستقبلية؛ فعندما كان ضوء الليزر ساطعاً جداً أو كانت البلورة شديدة البرودة، كان إشارة التوهج الناتجة عن الجزيئات تتلاشى بسرعة. حدد الباحثون أن هذا لم يكن فشلاً في الجزيئات نفسها، بل كان تأثيراً مؤقتاً حيث تسبب الضوء المكثف أو الحرارة الموضعية في جعل الجزيئات تتوقف عن التوهج للحظة. ووجدوا أن تأثير التلاشي هذا يصبح أقوى مع انخفاض درجة الحرارة وزيادة قدرة الليزر.

بالإضافة إلى أحادية فلوريد الباريوم، لاحظ الفريق أن الليزر الخاص بهم أنتج أيضاً ذرات باريوم متعادلة، والتي حُبست هي الأخرى في البلورة وتوهجت بلونها المميز الخاص. أكد هذا أن عملية ضرب الليزر تخلق مزيجاً من الأنواع المختلفة، والتي ينتهي بها المطاف جميعها داخل الكتلة المتجمدة. ومن خلال قياس سطوع التوهج، قدّر العلماء عدد جزيئات أحادية فلوريد الباريوم المحبوسة في البلورة، ووجدوا كثافة تبلغ حوالي 5 مضروبة في 10 للقوة 13 جزيء لكل سنتيمتر مربع. توفر هذه الآلة الجديدة، مع عينتها القابلة للتدوير وقدرتها على الوصول إلى درجات حرارة منخفضة تصل إلى 3.2 كلفن، منصة قوية للدراسات المستقبلية. إنها تثبت أنه يمكن للعلماء تنمية هذه البلورات الدقيقة، والتحكم في بيئتها، والبدء في العمل الدقيق لاستقصاء عزم ثنائي القطب الكهربائي للإلكترون، مما يقربنا من الإجابة على واحد من أعمق الأسئلة في الفيزياء.