قام علماء المعهد وشركاؤهم البحثيون من التخنيون وجامعة تل أبيب لأول مرة بإنشاء حزم مختلطة من الذرات الفردية
تنتشر الأعاصير أو الأعاصير لمسافة مئات الكيلومترات، لكن الدوامات يمكن أن تدور حتى في أبعاد أصغر بكثير. علماء معهد وايزمان للعلوم، بالتعاون مع باحثين من التخنيون وجامعة تل أبيب، تم إنشاؤها مؤخرًالأول مرة، دوامة تتكون من ذرة واحدة. قد تساعد الدوامات الذرية من هذا النوع في الإجابة على الأسئلة الأساسية حول العالم دون الذري وحتى تقنيات التصوير المثالية مثل الفحص المجهري الذري.
لسنوات عديدة، يحاول العلماء إنتاج أنواع مختلفة من الدوامات النانوية في مختبراتهم، ومؤخرًا تركز الاهتمام العلمي على محاولة إنتاج حزم مختلطة - وهي عبارة عن تيار من الجسيمات الدوارة التي يكون هيكلها الداخلي في حالة دوامة. لقد تم بالفعل إنشاء دوامات من الإلكترونات والفوتونات (جسيمات الضوء) في المختبر في الماضي، ولكن الحزم المختلطة من الذرات كانت حتى وقت قريب مجرد تجربة فكرية. "خلال مناقشة نظرية مع البروفيسور عيدو كامينر من التخنيون، توصلنا إلى فكرة لتجربة يمكن أن تنتج دوامات من الذرات الفردية"، يوضح الدكتور يائير سيغيف، الذي أنهى مؤخرا دراسة الدكتوراه في البروفيسور. إدواردز (إد) ناريفيسيوس من قسم الفيزياء الكيميائية والبيولوجية في المعهد.
من حيث الفيزياء الكلاسيكية، غالبًا ما تتميز الأجسام الدوارة بخاصية تسمى الزخم الزاوي. على غرار الزخم الخطي، تصف هذه الخاصية الجهد الإجمالي المطلوب لإيقاف حركة الجسم المتحرك أو في هذه الحالة الجسم الدوار. ومع ذلك، فإن هذه الخاصية، التي تميز الدوامات الصغيرة والكبيرة، تمر "بدورها" الخاص في الانتقال إلى البعد الكمي. أولا، على عكس نظيراتها في الفيزياء الكلاسيكية، لا يمكن للجسيمات الكمومية أن يكون لها أي قيمة للزخم الزاوي، ولكن فقط الحزم المنفصلة (الكمية). هناك اختلاف آخر يميز السبين الكمي وهو أن خاصية السبين نفسها لا تشبه دوران المروحة، ولكنها أشبه بموجة تدور حول محورها.
وكما هو الحال مع كاسر الأمواج الذي يوجه تدفق أمواج البحر، يمكن أيضًا التحكم في الموجات الكمومية وتشكيلها. "من خلال وضع عوائق مادية في مسار الذرة، يمكننا التحكم في الشكل الموجي للجسيم وإنشاء أشكال موجية مختلفة"، يوضح ألون لوسكي، طالب الدكتوراه في مختبر البروفيسور ناريفيتشيوس. لوسكي والدكتور سيغيف، اللذان قادا هذا البحث بالتعاون مع رع دافيد من مختبرهما، تعاونا مع زملائهما في جامعة تل أبيب لتطوير طريقة مبتكرة لتشكيل حركة الذرات. لقد صنعوا "حواجز أمواج" صغيرة - أقراص خزفية يبلغ قطرها عدة مئات من النانومترات مع نقوش بأنماط مختلفة. عندما تكون النقوش على شكل شوكة، فإن كل ذرة تمر عبرها تتصرف مثل موجة تمر عبر عائق مادي، وتكتسب زخمًا زاويًا - وتخرج من الجانب الآخر من العائق على شكل دوامة. وتم إنتاج الشوكات الصغيرة بعملية نانومترية تم تطويرها للتجربة من قبل الدكتورة أورا بيتون وهيلا نادلر في قسم البنية التحتية للأبحاث الكيميائية في المعهد.
الآن، ومع توفر المعدات اللازمة، وجه الباحثون شعاعًا فوق صوتيًا من ذرات الهيليوم في اتجاه النقوش النانومترية التي قاموا بإنشائها. وحتى قبل تحطيم "حواجز الأمواج"، مر الشعاع عبر مجموعة من الشقوق الصغيرة التي منعت بعض ذرات الهيليوم من التحرك للأمام، ولم يمرر سوى الذرات التي تشبه الأمواج الكبيرة في سلوكها - وبالتالي فهي أكثر ملاءمة للتصميم. وعندما تلامست هذه الذرات "المموجة" مع شوكات النانومتر، تم تشكيلها على شكل دوامات تم تسجيل شدتها وخصائصها بواسطة كاشف.
في عين الدونات
الدونات - هذه هي النتيجة التي تم الحصول عليها نتيجة اصطدام ملايين ذرات الهيليوم الدوارة في الكاشف. يقول الدكتور سيجيف: "عندما رأينا الكعكة، علمنا أننا نجحنا في إنتاج دوامات من ذرات الهيليوم". وعلى غرار "عين العاصفة"، فإن الثقب الموجود في الدونات هو المكان الذي تساوي فيه قوة الأمواج الصفر، وبالتالي لا تصل الذرات إلى هناك على الإطلاق. يوضح البروفيسور ناريفيتشيوس: "إن الصور التي تلقيناها هي في الواقع البصمة التي خلفتها الأشعة الذرية المختلطة".
وخلال التجارب لاحظ الباحثون ملاحظة غريبة. يقول الدكتور سيغيف: "إلى جانب الكعك المثالي، كان هناك أيضًا "منطقتان للضوضاء". "في البداية اعتقدنا أن مصدر المشكلة يكمن في أدواتنا، ولكن بعد إجراء تحقيق شامل أدركنا أن ما رأيناه كان جزيئات غير عادية، يتكون كل منها من ذرتي هيليوم تلتقيان في الشعاع الذري." بمعنى آخر، لم تكن الدوامات التي تمكن الباحثون من إنتاجها ذرية فحسب، بل جزيئية أيضًا.
على الرغم من أن الباحثين استخدموا ذرات الهيليوم، إلا أن الإعداد التجريبي الذي بنوه يمكن استخدامه لإنشاء دوامات من الذرات والجزيئات الأخرى أيضًا. يشكل هذا المصفوفة الأساس لدراسة الخصائص دون الذرية المخفية، على سبيل المثال، لا يمكن الكشف عن توزيع شحنة البروتونات أو النيوترونات إلا عند دوران الذرة بأكملها. إلى جانب النهج المبتكر لدراسة الخصائص الأساسية للمواد، يمكن أيضًا استخدام الحزم الذرية المختلطة في مجموعة متنوعة من التقنيات، وفي المقام الأول المجهر الذري. إن التفاعل بين الذرات الدوامة والمادة التي يتم فحصها تحت المجهر قد يؤدي إلى اكتشاف خصائص جديدة للمادة قيد الدراسة ويكشف عن معلومات قيمة لا يمكن الوصول إليها اليوم.
