Sub-Doppler cooling in a compact conical hollow mirror integrated with anti-Helmholtz coils

لفهم عمل هؤلاء الباحثين، يجب على المرء أولاً أن يقدّر الفن الدقيق المتمثل في إبطاء الذرات. الذرات هي اللبنات الأساسية للمادة، ولكن عندما تكون ساخنة، فإنها تتحرك بسرعة مذهلة، وتتصادم وتتشتت بطرق فوضوية. ولدراستها بدقة متناهية أو لاستخدامها في تقنيات متقدمة مثل الساعات الذرية، يجب على العلماء أولاً تبريدها إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق. ويتم ذلك عادةً باستخدام ضوء الليزر. وعلى الرغم من أن الضوء يدفع الأشياء بعيداً في العادة، فقد اكتشف العلماء كيفية ضبط الليزرات بحيث تمتص الذرات المتحركة نحو الشعاع الفوتونات وتتلقى "ركلة" لطيفة تبطئ حركتها. ومن خلال ترتيب أشعة الليزر من جميع الاتجاهات، يمكنهم إنشاء مصيدة حيث تُحتجز الذرات في مكانها وتُبرد إلى حالة من شبه السكون. هذه التقنية، المعروفة باسم المصيدة المغناطيسية الضوئية، هي نقطة البداية القياسية للعديد من التجارب الكمومية الحديثة، لكن المعدات المطلوبة غالباً ما تكون ضخمة ومعقدة، حيث تحتاج إلى عدة أجهزة ليزر قوية وملفات مغناطيسية كبيرة لتعمل.

لقد أظهر فريق من الفيزيائيين في جامعة طوكيو ومؤسسات متعاونة الآن طريقة لتحقيق هذا التبريد بمعدات وطاقة أقل بكثير. فقد بنوا جهازاً مدمجاً يستخدم شعاعاً واحداً من ضوء الليزر ومرآة ذات شكل خاص لحجز وتبريد ذرات الروبيديوم. وبدلاً من الإعداد المعتاد الذي يتطلب ستة أشعة ليزر منفصلة تشير إلى الذرات من زوايا مختلفة، يستخدم تصميمهم مخروطاً مجوفاً مصنوعاً من الألومنيوم. فعندما يتم إطلاق شعاع ليزر واحد عبر مركز هذا المخروط، تعكس الجدران الداخلية الضوء، مما يؤدي فعلياً إلى تقسيمه إلى عدة أشعة تحيط بالذرات. كما يعمل شكل المخروط على تركيز الضوء نحو المركز، مما يجعل المصيدة أكثر كفاءة. وهذا يسمح للباحثين باحتجاز عدد كبير من الذرات باستخدام طاقة ليزر أقل بكثير من الطرق التقليدية.

قام الباحثون بدمج هذه المرآة المخروطية مع الملفات المغناطيسية في وحدة ميكانيكية واحدة صغيرة. وقد أطلقوا شعاع ليزر داخل المخروط واستخدموا المجالات المغناطيسية لتثبيت ذرات الروبيديوم في مكانها. ووجدوا أن عدد الذرات التي يمكنهم احتجازها وصل إلى ذروته عندما تم ضبط شدة الليزر عند مستوى محدد ومنخفض نسبياً قدره 6.5 ميلي واط لكل سنتيمتر مربع. وهذا يمثل حوالي أربعة أضعاف أقل من الطاقة المطلوبة عادةً للمصائد القياسية التي تستخدم ستة أشعة منفصلة. وتحت هذه الظروف المثالية، نجحوا في احتجاز حوالي عشرة ملايين ذرة. وتعد هذه الكفاءة نتيجة مباشرة لهندسة المخروط، الذي يركز الضوء تماماً حيث توجد الذرات، بدلاً من نشره على مساحة أكبر.

بمجرد احتجاز الذرات، أراد الفريق معرفة مدى البرودة التي يمكنهم الوصول إليها. لقد طبقوا تقنية تسمى "تبريد تدرج الاستقطاب"، والتي تستخدم الخصائص الدقيقة للضوء لإزالة المزيد من الطاقة من الذرات. وأظهرت النتائج أن الذرات أصبحت باردة للغاية، حيث وصلت درجات حرارتها إلى ما دون الحد القياسي لهذا النوع من التبريد. ومع ذلك، لم يكن التبريد متساوياً في كل اتجاه؛ فقد بردت الذرات لتصل إلى حوالي 13.4 ميكروكيلفن في الاتجاه الذي تتحرك فيه جانبياً عبر المخروط، لكنها ظلت أكثر دفئاً، عند حوالي 106 ميكروكيلفن، في الاتجاه الذي تتحرك فيه صعوداً وهبوطاً على طول محور المخروط. يحدث هذا الفرق لأن نمط الضوء الذي يخلقه المخروط يختلف في هذين الاتجاهين؛ فالضوء مرتب بطريقة فعالة جداً في إيقاف الحركة الجانبية ولكنها أقل فعالية في إيقاف الحركة على طول طول المخروط.

كما قاس الفريق مدى سخونة الذرات فور احتجازها لأول مرة، قبل تطبيق خطوة التبريد الإضافية. ووجدوا أن الذرات التي تتحرك جانبياً كانت حوالي 1.2 ميلي كيلفن، وهو ما يعادل تقريباً سبعة أضعاف الحرارة المشهودة عادة في مصائد الأشعة الستة القياسية مع إعدادات مماثلة. وهذا يؤكد المحاكاة الحاسوبية السابقة التي اقترحت أن شكل المخروط يخلق نوعاً معيناً من القوة يكون أقل كفاءة في تبريد الذرات التي تتحرك في دوائر حول مركز المخروط. وبينما تعد درجة الحرارة الشعاعية هذه أعلى من المثالية، فإن القدرة على احتجاز مثل هذا العدد الكبير من الذرات باستخدام جهاز واحد مدمج وموفر للطاقة يمثل خطوة كبيرة للأمام. لقد أثبت الباحثون أن نظام المرآة البسيط والمتكامل هذا يمكن أن يعمل كمصدر عملي وفعال للذرات الباردة، مما يمهد الطريق لمستشعرات كمومية وساعات ذرية أصغر حجماً وأكثر قابلية للنقل يمكن استخدامها خارج المختبرات الكبيرة.