واحد مقابل مائة ألف

قام علماء معهد وايزمان بتبريد أيون واحد وعدد كبير من الذرات إلى درجة حرارة تبلغ حوالي مليون درجة فوق الصفر المطلق - ووضعهم في نفس الفخ. ولدهشتهم، وجدوا أن الأيون قد بدأ في التسخين. وفيما بعد، فهم العلماء أسباب ذلك، والتي تحدد أيضًا أقصى درجة من التبريد يمكن أن يصل إليها خليط من أيون واحد به ذرات كثيرة جدًا. 

عند درجات الحرارة المنخفضة، تحدث ظواهر متطرفة: تتدفق الكهرباء دون مقاومة، وتتدفق السوائل دون احتكاك، وتظهر حالات جديدة من التجميع. تهيمن فيزياء الكم على سلوك الذرات في هذه الحالات، وقد تم إنشاء أبرد درجات الحرارة التي تمكن العلماء من الوصول إليها، أقل من مليون درجة مئوية فوق الصفر المطلق، في مجموعة من الذرات المبردة بالليزر (أشعة الليزر تدريجيا تخميد اهتزازات الذرات، وبالتالي تبريدها) واحتجازها. تم تبريد نوعين مختلفين من الذرات المبردة بالليزر إلى درجات الحرارة القصوى هذه. في النوع الأول، تم تكثيف الذرات المحايدة، "السحب" التي تحتوي على مئات الآلاف من الذرات، مما أدى إلى خلق حالات جديدة من التجميع. أما النوع الثاني، وهو الأيونات (ذرات ذات شحنة كهربائية)، فهنا يبرد عدد قليل من الأيونات داخل المصائد، مما علم أنه يمكن استخدامها كساعات ذرية دقيقة، وكذلك كأساس لأجهزة الكمبيوتر الكمومية.

في معهد وايزمان للعلوم، في مجموعة البروفيسور روي أوزيري من قسم فيزياء الأنظمة المعقدة، تمكن سابقًا من تبريد عدد صغير من الأيونات إلى درجة حرارة مليون درجة كلفن فوق الصفر المطلق. وفي تجارب أخرى، تمكنوا من تبريد "سحب" من مئات الآلاف من الذرات إلى درجات الحرارة هذه.

ولكن إلى أي درجة يمكن تبريد خليط من الذرات والأيونات معًا بحيث يمكن وضعها في نفس الفخ؟ هل سيتم اكتشاف ظواهر كمومية جديدة باستخدام هذا "الكوكتيل" الجديد؟ هذا هو السؤال الذي سعى البروفيسور أوزاري، وعلماء الكلية الدكتور نيتسان أكرمان، والدكتور يوني دلال، والدكتور زيف مئير، وطلاب البحث توماس سيكورسكي، وروثي بن شلومي إلى الإجابة عليه. وباستخدام الليزر، قاموا بتبريد حوالي 100,000 ذرة إلى درجة حرارة مليون درجة. وفي نفس الوقت قاموا بتبريد أيون ذري واحد والمحاصرين في نفس درجة الحرارة. عند درجة الحرارة هذه، يكون الأيون في أدنى حالة طاقة تسمح له بها نظرية الكم (الحالة الأساسية للمصيدة)، وفي هذه الحالة، تأتي كل طاقة الأيون من تقلبات صغيرة يتطلبها مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ.

تم تبريد الذرات والأيونات بطرق مختلفة (تم تبريد الذرات باستخدام أشعة الليزر، والأيون - باستخدام المجالات الكهربائية)، وفي غرف مفرغة مختلفة، والتي تفصل بينها 25 سم. وفي هذه المرحلة، قام العلماء بنقل "سحابة الذرات" باستخدام "حزام ناقل" مصنوع من أشعة الليزر إلى غرفة مفرغة حيث يوجد الأيون المبرد - وفحصوا كيفية تغير طاقته بمرور الوقت. وبما أن الذرات باردة جدًا، توقع الباحثون أن يبقى الأيون في الحالة الأرضية للمصيدة. ولكن لدهشتهم، عندما قاموا بقياس الأيون، أصبح من الواضح لهم أنه بدلاً من التبريد، بدأ في التسخين. وبالنظر إلى الفجوة بين نتائج التنبؤ والقياس، بدأوا في البحث عن سبب هذه الظاهرة.

وهكذا تبين أن الأيون - الذي يتحرك باستمرار نتيجة المجالات الكهربائية التي تحبسه - اصطدم مراراً وتكراراً بالذرات، مما أدى إلى تسخينه. والأكثر من ذلك: فقد تبين أن توزيع طاقة الأيون بعد اصطدامه بالذرات يكون غير عادي، وفي بعض الأحيان يسخن الأيون ويصل إلى طاقات أعلى بـ 1,000 مرة من درجة حرارته. توضح هذه النتائج أقصى درجة تبريد يمكن الوصول إليها بمثل هذا الخليط المكون من أيون واحد به عدد كبير جدًا من الذرات. يقول البروفيسور أوزاري: "بهذه الطريقة، تمكنا من فهم الآلية التي تحدد حد التبريد". "لقد استخدمنا أدوات رياضية تسمح لنا ولغيرنا من العلماء في العالم الآن بفحص عمليات مماثلة في أنظمة مختلفة."

في الواقع، هذه الأدوات الرياضية، التي تصف التوزيعات التي تشمل الأحداث المتطرفة، يمكن استخدامها، من بين أمور أخرى، لتطبيقات لم يفكر فيها مؤسسو نظرية الكم؛ على سبيل المثال، حساب والتنبؤ بتقلبات أسعار الأسهم والسندات في البورصات، وغيرها.

#أرقام_علمية

وكجزء من التسخين الأيوني في الدراسة، فقد وصل إلى طاقات أعلى بـ 1,000 مرة من درجة حرارته.