فرآیند سرمایش گاز بافر : سرپیچی از قوانین ترمودینامیک؟

4

قوانین اساسی ترمودینامیک می گویند اگر یک کیک داغ را کنار پنجره بگذارید، آنقدر سرد می شود تا با محیط، همدما شود. فیزیکدانان و شیمیدانان، نمونه های سرد یون ها را راحت تر، کنترل و مطالعه می کنند، به همین دلیل، آنها از روشی موسوم به سرمایش گاز بافر ، برای کاهش دمای یون ها استفاده می کنند. حالا دانشمندان در پژوهش جالبی نشان داده اند که مکانیسم سرمایش گاز بافر از قوانین ترمودینامیک سرپیچی می کند. نتیجه ی این پژوهش به تازگی در ژورنال Nature Communications منتشر شده است.با دیپ لوک همراه باشید…

در روش سرمایش گاز بافر، انرژی یون های داغ از طریق برخورد به سایر اتم ها منتقل شده و در نتیجه، آنها سرد می شوند، و این همان حالتی است که یک کیک داغ در کنار پنجره سرد می شود. حالا اریک هادسون (دانشیار فیزیک در UCLA) و تیمش در پژوهش تازه ای نشان داده اند که یون ها واقعا هیچگاه به دمای گاز اطرافشان، سرد نمی شوند. از طرفی و به طور کاملا شگفت انگیز، آنها کشف کردند که تحت شرایط معینی، دو دمای نهایی برای یونها وجود دارد و دمایی که یون ها انتخاب می کنند به دمای آغازی آنها بستگی دارد.

محققان UCLA برای نخستین بار از حدود بنیادی در فرآیند سرمایش گاز بافر در دام های یونی استفاده کردند. آنها در این آزمایش، نمونه ی میکروسکوپی یون های باریم را (که به طور لیزری خنک شده بودند) تهیه کرده و سپس در ابرهایی متشکل از حدود سه میلیون اتم کلسیم (خنک شده به صورت لیزری) قرار دادند. محققان سپس ملکول ها را تحت شرایط بسیار ویژه ای، فوق العاده خنک کردند تا ویژگی های کوانتومی مخفی آنها را مشاهده کنند. یون ها در یک دستگاه به دام انداخته شدند. در این دستگاه، میدان های الکتریکی که میلیون ها بار در ثانیه، ارتعاش می کنند، ذرات باردار را از طریق محدود کردن در ناحیه ای کوچکتر از عرض یک تار موی انسان، به دام می اندازند. هم نمونه ی یونی و هم نمونه ی اتمی، با استفاده از تکنیک آهسته کردن حرکت ذرات با لیزر، تا دماهای مافوق سرد، یعنی یک هزارم صفر مطلق، سرد شدند. سپس به نمونه ها اجازه داده شد تا با یکدیگر برخورد کرده و به دمای نهایی برسند. پس از آن، فیزیکدانان اتم های کلسیم را حذف کرده و دمای یون های باریم را اندازه گیری کردند. نتایج، وجود چندین دمای نهایی را بر اساس تعداد یون و دمای اولیه نشان داد و ثابت کرد که فیزیک غیرتعادلی در این آزمایش، نقش مهمی را ایفا می کند.

محققان، این ویژگی های عجیب را در سرعت های گرمایشی و سرمایشی، دنبال می کنند. هم نظریه و هم شبیه سازی، یافته های تجربی آنها را تایید کرده و نشان می دهد که فرآیند سرمایش گاز بافر ، به جای یک فرآیند تعادلی سرراست و ساده، یک فرآیند غیرتعادلی پیچیده است. این پژوهش، قوانین ترمودینامیک را نقض نمی کند، بلکه نشان می دهد هنوز موضوعات جالبی در مورد سرمایش گاز بافر وجود دارد. برخی از پژوهش های بنیادی مانند پژوهش حاضر به منزله ی راهنمایی است که دانشمندان و مهندسین را از رفتن به مسیرهای بن بست، برحذر می دارد و در عوض راه درست و پرثمر را به آنها نشان می دهد.

دانلود مقاله ی اصلی به صورت PDF

زاده ی اردیبهشت ۶۹ و دانشجوی دکترای شیمی کوانتوم محاسباتی در دانشگاه شهید بهشتی است.او علاقمند به دنیای کوانتوم، تکنولوژی، فوتبال و موسیقی (رپ/راک) بوده و علاوه بر سردبیری دیپ لوک، به طراحی وب و نویسندگی در گجت نیوز، بیگ تم و ماهنامه GB جی اس ام مشغول است.

گفتگو۴ دیدگاه

  1. سید مرتضی موسویان

    سلام وعرض ادب
    یعنی چیزی درون یون ها تولید حرارت میکنه که دمایی ثابت برای یون ایجاد میکنه-خوب اگه یون درجوارسرماباشه سرد میش واردرجوارگرما باشه گرم میشه ولی اه نه رم باشه نه سرد خودش دمایی داره که همون روثابت نگه میداره؟مثل بدن ما؟شما از انتخاب دما توسط یون ها میگید بخشید ولی من متوجه نمیشم انتخاب که حرفشومیزنید چیه؟

    • ناهید سادات ریاحی

      دوست عزیز طبق قوانین سنتی ترمودینامیک باید همین طور باشه و عملا یون ها با قرار گرفتن در محیط، باید باهاش همدما بشن، اما یافته ی تازه ای که در این مقاله دانشمندان بهش پی بردن، اینه که این اتفاق نمیفته و این اصلا بدیهی نیست!! در واقع همون طور که اشاره هم شده، سروکله ی ویژگی های مخفی کوانتومی پیدا شده.

  2. سیدمرتضی موسویان

    سلام وعرض ادب
    راستش من دیگه دارم ازاین دنیا میترسم یعنی خیلی داره غریبه میشه!!!!!!ممنون از توجه شما ولی ممنون میشم درباره انتخاب هم در کوانتوم برام ی توضیحی بدید.خیلی خوشحالم والبته زوق زده.ممنون باعثش شمایید.

    • ناهید سادات ریاحی

      دوست خوبم، مقوله ی انتخاب یا اراده ی آزاد در مکانیک کوانتومی، بسیار چالش برانگیزه و البته تا حد زیادی با تفسیرهای مختلف مکانیک کوانتومی بستگی داره. ایشالا در آخرین قسمت کلاس درس کوانتوم که به تفسیرهای مختلف مکانیک کوانتومی اختصاص داره، این موضوع رو باز میکنیم. در قسمت اول سری مقالات ذهن کوانتومی هم در این مورد کمی بحث شده که از لینک زیر می تونید مطالعه بفرمایید:
      ذهن کوانتومی، قسمت اول: ذهن کوانتومی چیست؟

ارسال نظر


*