طراحی دقیق‌ترین دماسنجی کوانتومی گامی بسیار بزرگ در فیزیک ماده چگال به شمار می‌رود، اما این دماسنج در حقیقت یک دماسنج نیست! بلکه تحلیلی از حالت کوانتومی ناخالصی است که با چگال بوز-اینشتین (BEC) تعامل داشته است. نتیجه‌ی این پژوهش در قالب مقاله‌ای که نویسنده‌ی اول آن، پژوهشگری ایرانی است، دیروز در مجله معتبر Physical Review Letters منتشر شد، اگر علاقمند شدید بدانید چگونه می‌توان دمایی تا یک نانو کلوین را با استفاده از این تحلیل اندازه‌گیری کرد، با دیپ‌لوک همراه باشید…
امروزه دستاوردهای آزمایشگاهی پیشرفته، دماسنجی با دقت بالا را در دماهای پایین امکان‌پذیر می‌کنند. با این حال، مکانیسم فیزیکی، دقت و همچنین محدوده‌ی دمایی موثر دماسنجی‌های مختلف، بسته به هر بستر خاص آزمایشگاهی، بسیار تغییر می‌کند. از طرفی، چارچوب نظری نوظهور در دماسنجی کوانتومی که به دنبال تعیین محدودیت‌های بنیادین دقت اندازه‌گیری دمای نزدیک به صفر مطلق است، به طور کلی به هر سیستمی اعمال می‌شود. این چارچوب می‌تواند سرنخ‌هایی را در مورد چگونگی بهبود استانداردهای فعلی دماسنجی دماهای پایین ارائه دهد.
گازهای اتمی مافوق سرد، یک بستر تجربی بسیار مناسب و تطبیق‌پذیر برای کاربری‌هایی از قبیل شبیه‌‌سازی سیستم‌های بشدت همبسته، پردازش اطلاعات کوانتومی یا تولید پرتوهای الکترونی با کیفیت بالا (سرد) مانند میکروسکوپ الکترونی یا پراش الکترونی هستند. در اکثر این کاربری‌ها، لازم است گاز اتمی تا کمترین دمای ممکن سرد شود، اغلب تا یک میلیاردم یک کلوین! از طرفی تعیین دقیق دمای این سیستم‌ها برای کاربری‌های ذکر شده ضروری است. متاسفانه تکنیک‌های دماسنجی رایج برای اندازه‌گیری دمای اتم‌های سرد، مخرب هستند، به این معنا که نمونه در اثر اندازه‌گیری تخریب می‌شود. از سوی دیگر، تکنیک‌های غیر مخرب نیز فاقد دقت لازم در دماهای بسیار پایین هستند. محققان این پژوهش می‌گویند:
ما در مقاله خود، یک مدلسازی نظری دقیق را با استفاده از پارامترهای تجربی ارائه می‌دهیم. به عبارت ساده‌تر ما نشان می‌دهیم، علی‌الاصول این امکان وجود دارد که دماهای پایین‌تر از یک نانوکلوین را در یک چگالیده بوز-اینشتین با دقت اندازه‌گیری کنیم، بدون اینکه نمونه تخریب شود. در نتیجه با این روش می‌توانیم استانداردهای فعلی سنجش دما را ارتقا دهیم. ایده ما بر اساس مدل بوز-پولارون (bose-polaron) است. ما جای دادن یک ذره‌ی ناخالصی را داخل چگالیده‌ی اتمی درنظر می‌گیریم، به گونه‌ای که از طریق برهمکنش، اطلاعاتی در مورد دمای نمونه بدست آید. از آنجایی که موقعیت و سرعت یک ذره، تابعی از دما می‌شوند، با نظارت بر آنها می‌توان دما را با دقت بسیار بالا اندازه‌گیری کرد. از این رو پژوهش ما، امیدها را برای اندازه‌گیری بسیار دقیق‌تر دماهای پایین با استفاده از فناوری‌های کوانتومی در حال ظهور افزایش می‌دهد.
نویسنده اول این مقاله، دکتر محمد مهبودی محقق ایرانی پسادکتری در موسسه علوم فوتونیکی (ICFO) بارسلوناست. در ادامه می‌توانید پاسخ او به سوالات اختصاصی دیپ لوک درباره‌ی این مقاله را مطالعه کنید:
۱) محدودیت‌های این سیستم اندازه‌گیری دما چیست؟
اول از همه اینکه مبنای نظری این سیستم اندازه‌گیری دما، تحت شرایط خاصی صحیح است. به طور خاص برابری مدل بوز-پولارون با مدل حرکت براونی تنها در شرایطی که ذره ناخالصی، افت و خیزهای کوچک دارد برقرار است. این بدین معناست که ذره ناخالصی محدود به حرکت در همسایگی خیلی نزدیک مرکز دام است. افزون بر این، دمای گاز باید کمتر از مقداری خاص باشد تا بتوان از تقریب BEC استفاده کرد. یادآوری میکنم که BEC حالتی از ماده است (مانند مایع، جامد، گاز و پلاسما) که با سرد کردن گازهای بوزونی تا دماهای نزدیک به صفر محقق می‌شود، اما شاید بزرگترین محدودیت این باشد که بهترین اندازه‌گیری پیش‌بینی شده توسط نظریه‌ی ما با تکنولوژی کنونی، امکان‌پذیر نیست؛ بدین دلیل که غالب اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی، یا تکانه و یا مکان ناخالصی را اندازه‌گیری می‌کنند. حال آنکه به لحاظ نظری بهترین اندازه‌گیری، ترکیبی خطی از این دو مشاهده‌پذیر است. با این وجود طبق نتایج بدست آمده از کار ما، اندازه‌گیری مکان یا تکانه ناخالصی هم می‌تواند به اندازه قابل قبولی دقیق باشد.
۲) می‌توانید به طور خلاصه برای مخاطبان ما توضیح دهید مدل بوز-پلارون چگونه به شما برای ایده این پروژه کمک کرد؟
مدل پولارون پیش از این برای بررسی دیگر خواص فرمیون‌ها (فرمی-پولارون) و بوزون‌ها (بوز-پولارون) مورد مطالعه قرار گرفته بود. ایده خیلی ساده است: هنگامی که ناخالصی وارد BEC می‌شود با BEC برهمکنش می‌کند، در نتیجه این برهمکنش ناخالصی، اطلاعاتی از BEC بدست می‌دهد؛ زیرا بسته به خصوصیات BEC حالت کوانتومی ناخالصی تغییر می‌کند. سرانجام با اندازه‌گیری ناخالصی می‌توان اطلاعاتی از خصوصیات BEC فاش نمود. از جمله این خصوصیات می‌توان به دمای BEC اشاره کرد. از آنجا که ذره ناخالصی نسبت به BEC کوچک است، اندازه‌گیری آن BEC را تخریب نمی‌کند.
۳) می‌توانید چند نمونه دیگر از کاربر‌دهای این سیستم دماسنجی به جز مواردی که اشاره شد را برشمرید؟
احتمالا با استفاده از ایده ناخالصی می‌توان دمای سیستم‌های دیگری مثل گازهای فرمیونی را اندازه‌گیری کرد. همچنین به لحاظ نظری، نتایج ما با تغییرات مناسب به برآورد دیگر پارامترهای درونی و خارجی BEC مانند ضریب جفت‌شدگی اتم‌ها یا شدت برهمکنش با یک میدان خارجی نیز می‌تواند بپردازد.
۴) انجام این پروژه چه مدت طول کشید و از چه فازهایی تشکیل شده بود؟
ایده انجام این پروژه حدود دو سال پیش شکل گرفت. مبنای این ایده بر پایه دو پروژه قبلی بود که یکی مربوط به دماسنجی در مدل حرکت براونی بود و دیگری به مدل بوز-پولارون می‌پرداخت؛ در نتیجه به نحوی فاز صفرم کار قبلا انجام شده بود. برای ما نویسندگان مقاله اول خیلی جالب بود که مدل بوز-پولارون را می‌توان تحت شرایط خاصی به صورت مدل حرکت براونی درآورد. این کاری بود که در مقاله دوم انجام شده بود و ما در یک کنفرانس علمی با ان آشنا شدیم. پس از آن تعدادی از نویسندگان هر دو مقاله با هم جلسه گذاشتیم و به این نتیجه رسیدیم که می‌توان مدل دماسنجی ما را برای تخمین دمای سیستم بوز-پولارون که بسیار سرد است به کار گرفت. سپس شروع به انجام محاسبات نظری کردیم. تلاش ما این بود که غالب محاسبات به صورت تحلیلی باشد، زیرا اینگونه محاسبات قابل‌فهم‌تر و ملموس‌تر هستند. هدف ما از این کار، آن بود که دلیل دقت دماسنجی بالا یا پایین را بهتر بفهمیم. مرحله بعدی کار این بود که با آزمایش‌های رایج و مقادیر عددی پارامترهای مورد استفاده در این آزمایش‌ها آشنا شویم. هدف از این کار این بود که نتایج ما به واقعیت نزدیک شود و احتمالا بتوان آنها را به زودی به ورطه‌ی آزمایش گذاشت. در فاز بعدی ما به مدلسازی عددی پرداختیم که قدری زمان‌بر بود، اما نتایجی که مشاهده شدند، رضایت‌بخش بودند. فاز نهایی کار مربوط به جمع‌بندی پروژه، تحریر در قالب یک مقاله و نشر آن بود.
