اپتیک و کوانتوم

این مطالعه که در 13 آگوست در Nature Communicationsمنتشر شد، همچنین طولانی‌ترین نمایش ماهیت موج مانند اتم‌ها را در سقوط آزاد در فضا گزارش می‌کند. تیم علمی آزمایشگاه اتم سرد، اندازه‌گیری‌های خود را با یک ابزار کوانتومی به نام تداخل‌سنج اتمی انجام دادند که می‌تواند گرانش، میدان‌های مغناطیسی و سایر نیروها را دقیقاً اندازه‌گیری کند. دانشمندان و مهندسان روی زمین از این ابزار برای مطالعه ماهیت اساسی گرانش و پیشرفت فناوری‌هایی که به ناوبری هواپیما و کشتی کمک می‌کنند، استفاده می‌کنند. (تلفن‌های همراه، ترانزیستورها و جی‌پی‌اس تنها چند فن‌آوری مهم دیگر هستند که مبتنی بر علم کوانتومی هستند، اما تداخل سنجی اتمی را شامل نمی‌شوند.)

فیزیکدانان مشتاق اعمال تداخل سنجی اتمی در فضا بوده اند، زیرا ریزگرانش در آنجا زمان اندازه گیری طولانی تر و حساسیت بیشتر ابزار را امکان پذیر می کند، اما تجهیزات فوق العاده حساس آنقدر شکننده در نظر گرفته شده اند که نمی توانند برای مدت طولانی بدون کمک دستی کار کنند. آزمایشگاه اتم سرد، که از راه دور از زمین اداره می شود، اکنون نشان داده است که این امکان وجود دارد. جیسون ویلیامز، دانشمند پروژه آزمایشگاه اتم سرد در آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا در جنوب کالیفرنیا، گفت: «رسیدن به این نقطه عطف فوق‌العاده چالش‌برانگیز بود و موفقیت ما همیشه مشخص نبود. برای تحقق این امر نیازمند حس ماجراجویی از سوی تیم بود.»

حسگرهای فضایی که می توانند گرانش را با دقت بالا اندازه گیری کنند، کاربردهای بالقوه گسترده ای دارند. به عنوان مثال، آنها می توانند ترکیب سیارات و قمرها را در منظومه شمسی ما آشکار کنند، زیرا مواد مختلف چگالی های متفاوتی دارند که تغییرات ظریفی در گرانش ایجاد می کند. این نوع اندازه گیری در حال حاضر توسط همکاری ایالات متحده و آلمان GRACE-FO (بازیابی گرانشی و آزمایش آب و هوا) انجام می شود که تغییرات جزئی در گرانش را برای ردیابی حرکت آب و یخ روی زمین تشخیص می دهد. یک تداخل سنج اتمی می تواند دقت و ثبات بیشتری را ارائه دهد و جزئیات بیشتری را در مورد تغییرات جرم سطحی آشکار کند.

اندازه‌گیری‌های دقیق گرانش همچنین می‌تواند بینشی در مورد ماهیت ماده تاریک و انرژی تاریک، دو راز اصلی کیهان‌شناسی، ارائه دهد. ماده تاریک یک ماده نامرئی است که پنج برابر بیشتر از ماده "منظم" تشکیل دهنده سیارات، ستاره ها و هر چیز دیگری که ما می توانیم ببینیم، در جهان رایج است. انرژی تاریک نامی است که به محرک ناشناخته انبساط پرشتاب کیهان داده شده است. کاس ساکت، استاد دانشگاه ویرجینیا، محقق اصلی آزمایشگاه اتم سرد و یکی از نویسندگان مطالعه جدید، می گوید: «تداخل سنجی اتم همچنین می تواند برای آزمایش نظریه نسبیت عام اینشتین به روش های جدید مورد استفاده قرار گیرد. این نظریه پایه ای است که ساختار بزرگ مقیاس جهان ما را توضیح می دهد، و ما می دانیم که جنبه هایی از این نظریه وجود دارد که ما آنها را به درستی درک نمی کنیم. این فناوری ممکن است به ما کمک کند این شکاف ها را پر کنیم و تصویر کامل تری به ما ارائه دهد. از واقعیتی که در آن زندگی می کنیم."

آزمایشگاه اتم سرد به اندازه یک یخچال کوچک، در سال 2018 با هدف پیشرفت علم کوانتومی با قرار دادن یک مرکز طولانی مدت در محیط ریزگرانشی مدار پایین زمین به ایستگاه فضایی پرتاب شد. این آزمایشگاه اتم ها را تقریبا تا صفر مطلق یا منفی 459 درجه فارنهایت (منفی 273 درجه سانتیگراد) خنک می کند. در این دما، برخی از اتم ها می توانند یک چگالش بوز-اینشتین را تشکیل دهند، حالتی از ماده که در آن همه اتم ها اساساً هویت کوانتومی یکسانی دارند. در نتیجه، برخی از ویژگی‌های کوانتومی معمولاً میکروسکوپی اتم‌ها، ماکروسکوپیک می‌شوند و مطالعه آن‌ها را آسان‌تر می‌کنند. خواص کوانتومی شامل عملکرد گاهی مانند ذرات جامد و گاهی مانند امواج است. دانشمندان نمی دانند که چگونه این بلوک های سازنده همه مواد می توانند بین چنین رفتارهای فیزیکی متفاوتی تغییر کنند، اما آنها از فناوری کوانتومی مانند آنچه در آزمایشگاه اتم سرد موجود است برای یافتن پاسخ استفاده می کنند. در ریزگرانش، میعانات بوز-اینشتین می توانند به دماهای سردتری برسند و برای مدت طولانی تری وجود داشته باشند، و به دانشمندان فرصت بیشتری برای مطالعه آنها می دهد. تداخل سنج اتمی یکی از چندین ابزار موجود در این مرکز است که با استفاده از ماهیت کوانتومی اتم ها، اندازه گیری های دقیق را ممکن می سازد. با توجه به رفتار موج مانند خود، یک اتم منفرد می تواند به طور همزمان دو مسیر فیزیکی مجزا را طی کند. اگر گرانش یا نیروهای دیگر بر روی آن امواج اثر می‌گذارند، دانشمندان می‌توانند با مشاهده چگونگی ترکیب مجدد و تعامل امواج، این تأثیر را اندازه‌گیری کنند. نیک بیگلو، استاد دانشگاه روچستر در نیویورک و آزمایشگاه اتم سرد، گفت: "من انتظار دارم که تداخل سنجی اتمی مبتنی بر فضا منجر به اکتشافات جدید هیجان انگیز و فناوری های کوانتومی خارق العاده ای شود که بر زندگی روزمره تاثیر می گذارد و ما را به آینده کوانتومی منتقل می کند."

More information: Jason R. Williams et al, Pathfinder experiments with atom interferometry in the Cold Atom Lab onboard the International Space Station, Nature Communications (2024)