توصل باحثون في الجامعة العبرية وكورنيل إلى طريقة لمزامنة دوران الذرات باستخدام الضوء بدلاً من الدرع المغناطيسي، وهو ما قد يؤدي إلى تحسين أجهزة الاستشعار الكمومية وأنظمة الذاكرة.
اكتشف باحثون طريقة بسيطة وفعّالة لحماية الذرات من فقدان المعلومات، وهو تحدٍّ رئيسي في تطوير تقنيات كمومية موثوقة. فمن خلال تسليط شعاع ليزر واحد مُعدّل بعناية على غاز الذرات، تمكنوا من الحفاظ على تزامن الدوران الداخلي للذرات، مما قلل بشكل كبير من معدل فقدان المعلومات.
في أجهزة الاستشعار الكمومية وأنظمة الذاكرة، غالبًا ما تفقد الذرات اتجاهها المغناطيسي - أو ما يُعرف بـ"الدوران المغزلي" - نتيجة اصطدامها بذرات أخرى أو بجدران الحاوية التي تُحصر فيها. تُحد هذه الظاهرة، المعروفة باسم "استرخاء الدوران المغزلي"، بشكل كبير من استقرار ودقة الأجهزة الكمومية. وقد تطلبت الطرق التقليدية للتعامل مع هذه المشكلة التشغيل في مجالات مغناطيسية منخفضة للغاية واستخدام دروع مغناطيسية ثقيلة ومعقدة.
تتجاوز الطريقة الجديدة هذه القيود. فبدلاً من حجب النظام بالمغناطيس، يستخدم الباحثون الضوء لتغيير مستويات طاقة الذرات بشكل طفيف. يؤدي هذا إلى محاذاة دوران الذرات، والحفاظ على تزامنها حتى في حالة الحركة أو التصادم. والنتيجة هي حالة دوران أكثر استقرارًا ومقاومة بطبيعتها لفقدان التماسك.
في تجارب أُجريت على بخار السيزيوم عند درجات حرارة عالية، نجحت هذه التقنية في تقليل اضمحلال الدوران بعشرة أضعاف، وتحسين الحساسية المغناطيسية للنظام بشكل ملحوظ. وهذا دليل على أن شعاع ليزر واحد قادر على إطالة زمن تماسك الدوران الذري، مما يمهد الطريق لأجهزة استشعار كمومية، وأجهزة قياس مغناطيسية، وأجهزة ذاكرة أكثر إحكامًا ودقة ومتانة.
كشف البحث الذي أجراه فريق من قسم الفيزياء التطبيقية ومركز علوم النانو وتكنولوجيا النانو في الجامعة العبرية، بالتعاون مع كلية الفيزياء التطبيقية والهندسة في جامعة كورنيل، عن طريقة قوية لحماية الدوران الذري من "الضوضاء" البيئية - وهي خطوة مهمة نحو تحسين دقة ومتانة التقنيات المتقدمة.
نُشرت هذه الورقة البحثية، المعنونة "الحماية البصرية لذرات الفلزات القلوية من استرخاء الدوران"، من قِبل أبراهام بارباربي، ومارك ديكوبولتسيف، والبروفيسور أوري كاتز (الجامعة العبرية)، والبروفيسور أور كاتز (جامعة كورنيل). ويُتوقع أن تُحدث تأثيرًا كبيرًا في العديد من المجالات التي تعتمد على الاستشعار المغناطيسي والتماسك الذري.
الدوران المغزلي خاصية أساسية للذرات ذات الإلكترونات غير المزدوجة، مثل تلك الموجودة في بخار السيزيوم. هذه الخاصية تجعل الذرات حساسة بشكل خاص للمجالات المغناطيسية، ولذلك تُستخدم لقياسات دقيقة للمجالات المغناطيسية والجاذبية، وحتى نشاط الدماغ. لكن الدوران المغزلي هش. حتى اضطراب بسيط من جدران الحاوية أو من الذرات المجاورة يمكن أن يُفقدها اتجاهها - وهي عملية تُعرف باسم استرخاء الدوران المغزلي. حتى الآن، تطلبت حمايتها بيئات محمية للغاية.
يتمثل ابتكار الباحثين في استخدام شعاع ليزر واحد مضبوط بدقة، يُمكّن من مزامنة حركة الدورانات حتى داخل المجال المغناطيسي. وبهذه الطريقة، يُحافظ على المزامنة حتى عند اصطدام الذرات ببعضها أو اصطدامها بجدران الخلية. ويُعدّ هذا إنجازًا هامًا.
لشرح الفكرة، شبّه الباحثون الذرات بألعاب غزل صغيرة تتحرك داخل صندوق. عادةً، عند اصطدامها ببعضها، تتعطل حركتها الدورانية. وينطبق هذا بشكل خاص على المجالات المغناطيسية العالية، حيث تكون الحركة المغناطيسية أسرع. ولكن هنا، يحافظ شعاع الليزر على محاذاة جميع الألعاب الدوارة، مما يمنع الفوضى. وهذا يخلق نظامًا مستقرًا يعمل بتناغم حتى في ظل ظروف غير مثالية.
أفاد الباحثون بتحسّن قدره تسعة أضعاف في زمن بقاء ذرات السيزيوم على اتجاه دورانها. وقد نجحت هذه الحماية حتى عند اصطدام الذرات بجدران خلية خاصة مغطاة بطبقة مُخفِّفة للاسترخاء، وحتى عند خضوعها لتصادمات داخلية متعددة.
تتمتع هذه الطريقة بإمكانيات عملية واسعة. ويمكنها تحسين الأجهزة القائمة على الدوران الذري، بما في ذلك:
أجهزة الاستشعار الكمومية وأجهزة قياس المغناطيسية، المستخدمة في الطب وعلم الآثار واستكشاف الفضاء.
أنظمة الملاحة الدقيقة المستقلة عن نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).
أنظمة المعلومات الكمومية، حيث يعتبر استقرار الدوران شرطًا ضروريًا للتخزين والمعالجة.
ومن بين المزايا المهمة الأخرى أن هذه الطريقة تعمل في درجات حرارة عادية ولا تتطلب تبريدًا عميقًا أو حجبًا معقدًا، مما يجعلها أكثر فائدة من الطرق الحالية للتطبيقات العملية.
وفقًا للباحثين: "يفتح هذا النهج فصلًا جديدًا في حماية الأنظمة الكمومية من الضوضاء. فباستخدام الحركة الطبيعية للذرات واستخدام الضوء كمُثبِّت، يُمكن الحفاظ على التماسك في ظل ظروف أكثر تنوعًا بكثير مما كان ممكنًا في السابق".
يستند هذا البحث إلى عقود من التقدم في الفيزياء الذرية. ومع ذلك، فإن الحل الذي يقدمه الباحثون - باستخدام الضوء لمزامنة الذرات - بسيط وأنيق ومبتكر. قد يُمكّن من تطوير تقنيات كمية أكثر دقة وموثوقية وسهولة في الوصول.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
