ساختن ملکول های فوق سرد و مشاهده حالات عجیب و غریب ماده در آن ها!

هوای اطراف ما، بزرگراه شلوغی از ملکول هاست که با سرعت صدها مایل بر ساعت با هم برخورد می کنند که این رفتار در دماهای محیطی، کاملاً نرمال است. اما در دماهای نزدیک به صفر مطلق، اتفاقات جالب تری رخ میدهد. دانشمندان میخواهند بدانند اگر دما به صفر مطلق نزدیک شود، چه اتفاقی برای این حرکت نامنظم ملکول ها می افتد؟ حالا آنها جواب این سوال را پیدا کرده اند: در دماهای نزدیک به صفر مطلق، حرکت بی نظم هر ملکول متوقف می شود و ملکول ها مثل یک جسم یگانه رفتار می کنند. این رفتار منظم تر ملکول ها، باعث به وجود آمدن حالت های بسیار عجیب و غریب ماده می شود، حالاتی که قبل از این هیچگاه، مشاهده نشده اند.

خب برویم سراغ اصل مطلب: فیزیکدانان MIT موفق شدند ملکول ها را در گاز سدیم پتاسیم (NaK) تا دمای ۵۰۰ نانوکلوین سرد کنند، یعنی فقط یک تار مو بالاتر از صفر مطلق و بیشتر از یک میلیون بار سردتر از فضای بین ستاره ای! از این به بعد این ملکول ها را فوق سرد صدا می زنیم. محققان دریافتند که ملکول های فوق سرد، دارای عمری طولانی بوده و پایداری زیادی دارند. یعنی وقتی با ملکول های دیگر برخورد می کنند؛ کَکِشان نمی گزد و مقاومت می کنند! این ملکول های فوق سرد، ممان دو قطبی بسیار بزرگی هم دارند.

مارتین سیرلین، استاد فیزیک MIT می گوید: “اگرچه ملکول های اطراف ما، لبریز از انرژی هستند، حرکات چرخشی و ارتعاشی دارند و با سرعت بالایی حرکت می کنند، اما برعکس، ملکول های فوق سرد، کاملاً راکد هستند. سرعت متوسط آنها از چند سانتی متر بر ثانیه تجاوز نمی کند و در پایین ترین حالات ارتعاشی و چرخشی خود به سر می برند.”

در واقع در این پژوهش، دانشمندان به دمایی رسیده اند که نقش بسیار مهمی را در حرکت ملکول ها ایفا می کند. ملکول ها دیگر مثل توپ های بیلیارد نمی چرخند، اما همچنان، امواجی کوانتومی هستند. با ملکول های فوق سرد، می توانید طیف گسترده ای از حالات متفاوت ماده، مثل کریستال های ابرسیال را ببینید. این ابرسیال های شگفت انگیز، باوجود کریستالی بودن، هیچ اصطکاکی ندارند. اگر چه این حالات قبلاً مشاهده نشده بود، اما پیش بینی که شده بودند! این پژوهش در ژورنال Physical Review Letters چاپ شد.

دقیق تر شویم: تئوری و روش کار

همه ی ما میدانیم که هر ملکول متشکل از اتم هایی است که به یکدیگر متصل شده اند. ساده ترین ملکول، یک دمبل دو اتمی است که با نیروهای الکترومغناطیسی به هم متصل شده است. گروه دکتر سیرلین، به دنبال ساخت ملکول های فوق سرد سدیم پتاسیم بودند که هر یک متشکل از یک اتم سدیم و یک اتم پتاسیم هستند. اما این ملکول، تعداد درجات آزادی زیادی دارد (انتقالی، ارتعاشی و چرخشی) و بنابراین سرد کردن مستقیم آن بسیار دشوار است. پس راه حل چیست؟ درست است اتم ها! چون ساختار ساده تری دارند، خیلی راحت تر سرد می شوند. ابتدا ابری از اتم های جداگانه ی سدیم و پتاسیم را با استفاده از لیزرها و خنک کننده های تبخیری تا نزدیکی صفر مطلق، سرد کردند. حالا اتم ها را برای ساخت ملکول های فوق سرد، به یکدیگر چسباندند. می پرسید چطوری؟ با به کارگیری یک میدان مغناطیسی که ایجاد پیوند بین اتم ها را تسریع می کند. این روش به “رزونانس  فشباخ” یا “تشدید فشباخ” (Feshbach) معروف است. بگذارید مثال ساده ای برایتان بزنم: این کار درست مثل تنظیم کردن فرکانس های رادیو بر روی یک ایستگاه خاص است. خب حالا این اتم ها بسیار سرخوش و خجسته شروع به ارتعاش با یکدیگر کرده و یک ملکول مقید را شکل می دهند! البته این پیوند تشکیل شده، نسبتاً ضعیف است و ملکول های به اصطلاح نرمی را می سازد که هنوز به مقدار ناچیزی ارتعاش دارند. اتم ها با پیوندی باریک و دراز به هم متصل اند، اما باید آنها را به یکدیگر نزدیک تر کنیم: تیم MIT، برای نزدیک کردن اتم ها به یکدیگر و در واقع برای تشکیل یک ملکول قوی تر و پایدارتر، از تکنیکی که برای اولین بار در سال ۲۰۰۸ و توسط گروهی از دانشگاه کلرادو برای ملکول های پتاسیم روبیدیوم (KRb) گزارش شد، استفاده کردند.

در این تکنیک، ملکول های NaK در معرض یک جفت لیزر قرار گرفتند، تفاوت فرکانس دقیقاً مساوی با تفاوت انرژی بین حالت ارتعاشی بالا (و اولیه ی ملکول) و پایین ترین حالت ارتعاشی بود. حالا با جذب لیزر کم انرژی و تابش به پرتوی لیزر پرانرژی، ملکول ها تمام انرژی ارتعاشی در دسترشان را از دست خواهند داد. با این روش،  گروه قادر بود تا ملکول ها را به پایین ترین حالات ارتعاشی و چرخشی شان بیاورد، یعنی یک سقوط عظیم در انرژی.

پایداری شیمیایی

در کارقبلی که توسط گروهی از کلرادو انجام شد، یک مانع بسیار مهم در ملکول های فوق سرد پتاسیم روبیدیوم مشاهده شد: این ملکول ها از لحاظ شیمیایی واکنش پذیر بودند و زمانیکه با دیگر ملکول ها برخورد می کردند، از هم جدا می شدند. بنابراین گروه برای جلوگیری از وقوع چنین واکنش های شیمیایی، ملکول ها را در کریستال هایی از نور، محبوس کردند. اما گروه سیرلین برای ایجاد ملکول های فوق سرد، ملکولی را انتخاب کردند که از نظر شیمیایی پایدار است و به طور طبیعی در مقابل برخوردهای ملکولی واکنش پذیر، ارتجاعی است: سدیم پتاسیم. وقتی دو ملکول پتاسیم روبیدیوم برخورد می کنند، از نظر انرژی مطلوب است که دو اتم پتاسیم و دو اتم روبیدیوم با یکدیگر جفت شوند، اما در مورد ملکول سدیم پتاسیم، این واکنش از نظر انرژی مطلوب نیست و اتفاق نمی افتد، به همین سادگی!

در این آزمایش، گاز ملکول، کاملاً پایدار بود و عمرش به دنیا! چرا که طول عمری نسبتاً طولانی، حدود ۲.۵ ثانیه داشت. مسلماً زمانیکه ملکول ها از نظر شیمیایی واکنش پذیر باشند، زمان کافی برای مطالعه ی آنها وجود ندارد، چون قبل از خنک ترشدن، تخریب می شوند. دکتر سرلین می گوید: “برای مشاهده ی حالات عجیب تر ماده، باید ملکول ها را حتی کمی بیشتر خنک کرد. حالا ما در ۵۰۰ نانوکلوین هستیم، دمایی که قبلاً خارق العاده و دست نیافتنی بود!”

منبع: sciencedaily و phys.org

برای دریافت آخرین مقالات دیپ لوک، کافیست ایمیل خود را در فیلد زیر وارد کنید: [wysija_form id=”1″]