Cavity-assisted dynamic nuclear polarisation

في عالم فيزياء الكم الهادئ والبارد، غالبًا ما يواجه العلماء مشكلة تتعلق بالرؤية. فلدراسة الخصائص المغناطيسية الدقيقة للذرات، يعتمد الباحثون على تقنية تُعرف بالرنين المغناطيسي النووي، والتي تعمل بشكل أفضل عندما تكون الذرات مصطفة في نفس الاتجاه، وهي حالة تُعرف بالاستقطاب. ومع ذلك، عند درجات الحرارة المنخفضة للغاية المطلوبة لهذه التجارب، تكون الذرات عادةً مشتتة بفعل الحرارة لدرجة أنها تشير إلى اتجاهات عشوائية، مما يجعل رصدها مستحيلاً تقريباً. ولحل هذه المشكلة، حاول العلماء لفترة طويلة إجبار الذرات على الاصطفاف، غالباً عبر استخدام حيل كيميائية معقدة أو عبر تبريدها بشكل أكبر. ولكن في البيئة المحددة للدوائر فائقة التوصيل المستخدمة في الحوسبة الكمومية، حيث تكون درجة الحرارة منخفضة جداً لدرجة أن الموجات الصوتية لا تستطيع نقل الطاقة بعيداً، غالباً ما تفشل هذه الطرق التقليدية. ويتمثل التحدي في إيجيد طريقة جديدة لترتيب هذه المغازل الذرية دون الاعتماد على آليات التبريد المعتادة التي تجمدت تماماً.

وقد أظهر فريق من الباحثين في فرنسا الآن طريقة جديدة لحل هذه المشكلة باستخدام تجويف ميكروويف ليعمل كشارع ذي اتجاه واحد للطاقة. لقد عملوا مع مجموعة من ذرات البزموت المدمجة في شريحة من السيليكون فائق النقاء. تعمل كل ذرة بزموت كمغناطيس صغير يتكون من جزأين: مغزل إلكتروني ومغزل نووي. ومن السهل التحكم في المغزل الإلكتروني، بينما المغزل النووي هو الذي يريد العلماء محاذاته لتخزين المعلومات. وضع الباحثون هذه الذرات بالقرب من رنان فائق التوصيل، وهو جهاز يمكنه حبس ضوء الميكروويف. ومن خلال ضبط تردد هذا الرنان بعناية، خلقوا حالة خاصة حيث يمكن للمغزل الإلكتروني أن يطلق طاقته على شكل فوتون ميكروويف بسرعة أكبر بكثير مما يفعل في الحالات العادية. هذه الظاهرة، المعروفة باسم تأثير بورسيل (Purcell effect)، تعمل فعلياً على استنزاف الطاقة من الإلكترون، مما يجبره على الدخول في حالة منخفضة الطاقة محددة.

تضمنت التجربة عملية ذكية وخطوة بخوة لنقل المحاذاة من الإلكترون إلى النواة. أولاً، استخدم الباحثون نبضة ميكروويف لتبديل حالة الإلكترون مع حالة نووية محددة. بعد ذلك، استخدموا نبضة تردد راديوي لتبديل الحالة النووية مع حالة مجاورة. وأخيراً، تركوا الإلكترون يسترخي عائداً إلى حالته الأصلية عن طريق انبعاث فوتون في الرنان. ولأن الإلكترون أُجبر على الهبوط في حالة محددة، فقد تُرِك المغزل النووي خلفه في تكوين جديد ومحاذٍ. ومن خلال تكرار هذه الدورة ثماني مرات، ونقل التجمعات الذرية خطوة بخطوة إلى حالة مستهدفة واحدة، تمكنوا من تركيز الذرات في اتجاه واحد. وكانت النتيجة زيادة كبيرة في عدد الذرات التي تشير في نفس الاتجاه، مما عزز قوة الإشارة بمعامل قدره 4.6 مقارنة بنقطة البداية.

ورغم أن الفريق حقق تحسناً قوياً، فقد وجدوا أن العملية لم تصل إلى الحد النظري المثالي البالغ تسعة أضعاف الإشارة الأصلية. واكتشفوا أنه كلما تراكمت المزيد من الذرات في الحالة المستهدفة، بدأت الآلية ذاتها التي ساعدت في محاذاتها في التباطؤ. بدأت الذرات تتفاعل مع بعضها البعض من خلال الرنان، مما خلق تأثيراً جماعياً جعل من الصعب على الإلكترون إطلاق طاقته. بالإضافة إلى ذلك، تسربت بعض الذرات من الحالة المستهدفة بسبب التفاعلات الطبيعية بين المغازل. ورغم هذه القيود، أكد الباحثون أن طريقتهم تعمل حتى عندما تكون آليات التبريد المعتادة متجمدة. ويشير هذا النجاح إلى أنه من خلال هندسة كيفية تفاعل الذرات مع بيئتها الكهرومغناطيسية، يمكن للعلماء إنشاء ذاكرات كمومية أكثر قوة وتحسين حساسية الكشف بالرنين المغناطيسي، مما يفتح مساراً لرؤى أكثر وضوحاً للعالم الكمومي.