البرد، والبرد

قام علماء من معهد وايزمان مؤخراً بتطوير طريقة جديدة ومبتكرة لتبريد الأيونات وإبطاء حركتها النسبية

أولئك الذين يريدون التحقيق في خصائص الذرات يواجهون صعوبة. هذه الذرات لا تنتظر العلماء: فهي تتحرك وتهتز وأحيانًا (في الحالة الغازية) تطير بسرعة هائلة. هذه الحركة السريعة هي في الواقع درجة حرارة المادة. ولكي يتمكنوا من دراسة الذرات، يجب على العلماء إبطاؤها - وبالتالي تبريدها. إحدى الطرق للقيام بذلك هي استخدام "مدافع الليزر" التي "تقصف" الذرات من جميع الاتجاهات و"تأسرها" في فخ فراغ مظلم جدرانه مصنوعة من موجات الضوء. أو، في حالة الأيونات (الذرات ذات الشحنة الكهربائية)، قم بالتقاطها باستخدام المجالات الكهربائية والمغناطيسية - ثم تبريدها باستخدام الليزر.

لكن علماء الكلية الدكتور عوديد هابر والدكتور مايكل رابابورت وباحثي ما بعد الدكتوراه الدكتور ريتيش كومار جانجوير والدكتور كوشيك شاه من مختبر البروفيسور. دانيال زيفمان في قسم فيزياء الجسيمات والفيزياء الفلكية في معهد وايزمان للعلوم، اكتشفوا مؤخرًا وطوروا طريقة جديدة ومبتكرة لتبريد الأيونات وإبطاء حركتها النسبية.

قام أعضاء مجموعة أبحاث البروفيسور زيفمان سابقًا بتطوير نسخة محسنة من "المصيدة الأيونية" الكهروستاتيكية لدراسة التفاعلات الجزيئية، وبالتالي خلقوا نوعًا من مساحة تخزين الأيونات، وهي أصغر بكثير وأرخص من عملات التخزين المعتادة. في المصيدة الكهروستاتيكية، تتحرك الأيونات الجزيئية بشكل دوري في الفراغ، بسرعة تقترب من 10,000 كم/ساعة - ويتم تبريدها. وسمحت هذه الأنظمة لأعضاء المجموعة بخلق بيئة باردة قليلة المادة في المختبر، تشبه الظروف السائدة في الفضاء بين النجوم.

"ميزة هذه الطريقة هي أن العملية لا تعتمد على نوع الأيون ووزنه، لذلك يمكن استخدامها لتبريد أي جزيء بسرعة نسبية، بما في ذلك الجزيئات البيولوجية الكبيرة والجسيمات النانوية."

بطبيعة الحال، في مجموعة الأيونات التي تتحرك في دورات، هناك توزيع معين للترددات (التي تعادل السرعة ودرجة الحرارة). في هذه المرحلة، يستطيع العلماء "دفع" وتسريع الأيونات الباردة عن طريق إرسال نبضات الجهد، وفصل توزيع الترددات (درجات الحرارة)، مما يعني أنه خلال فترة زمنية قصيرة، يتم تسريع الأيونات الباردة فقط وتركيزها معًا. تسمح "الدفعات" الإضافية للعلماء بالحصول على أيونات أكثر برودة تدريجيًا. يقول الدكتور هابر: «لكن هذه العملية ليست تبريدًا، بل هي نوع من «الترشيح» الذي يسمح لنا بفرز الأيونات وفقًا لدرجة الحرارة التي وصلت إليها».

لكن خلال التجارب، اكتشف العلماء أنه في المصيدة الكهروستاتيكية من الممكن زيادة كثافة الأيونات في نهاية المصيدة حتى 1,000 مرة من الكثافة الطبيعية. في المجموعة الكثيفة، وبطبيعة الحال، تحدث العديد من التصادمات بين الأيونات، ونتيجة لذلك تتقاسم الأيونات نفسها الطاقة فيما بينها. وفي اتجاه محدد للمصيدة، ينشأ في هذه المرحلة ارتباط عالي بين موضع الأيونات في المجموعة، وطاقتها، بحيث توجد الأيونات الأبرد في وسط المجموعة - مما يعني انخفاض درجة حرارتها عن طريق تسخين الأيونات الموجودة عند الحواف - وبالتالي باختصار يزداد عدد الأيونات الباردة. ويقول الدكتور هابر: "إن هذه العملية المدهشة تعتبر بالفعل عملية تبريد".

في المقال ذلكنشرت العلماء في المجلة العلمية "Physical Review Letters" PRLيصفون سلسلة من التجارب التي وصلت فيها الأيونات إلى درجة حرارة حوالي عُشر الدرجة فوق الصفر المطلق. وفي الدراسات التي تجرى هذه الأيام، يقوم العلماء بإجراء تعديلات دقيقة على النظام من أجل الوصول - من خلال طريقة التبريد الجديدة - إلى درجات حرارة أقل.

ويقول الدكتور هابر إن ميزة هذه الطريقة هي أن العملية لا تعتمد على نوع الأيون ووزنه، بحيث يمكن استخدامها لتبريد أي جزيء بسرعة نسبية، بما في ذلك الجزيئات البيولوجية الكبيرة والجسيمات النانوية.