روشی موثر برای کاهش شدید دمای مولکول‌ها تا نزدیک صفر مطلق

ما در شرایط عادی معمولا با سه حالت ماده سروکار داریم: جامد، مایع و گاز. اما مواد در برخی شرایط خاص، حالت‌های دیگری نیز به‌خود می‌گیرند. مثلا بعضی از مواد در دماهای بسیار بالا یا بسیار پایین رفتارهای عجیبی از خود بروز می‌دهند و به حالت‌های خاصی درمی‌آیند که مطالعه آن‌ها برای پژوهشگران بسیار مهم است.

در همین راستا، محققان بخش کوانتوم نور موسسه «ماکس پلانک»، برای خنک‌سازی مولکول‌های گازی شیوه جدیدی یافته‌اند که با کمک آن می‌توانند دمای مولکول‌های قطبی را به تنها چندنانوکلوین کاهش دهند، یعنی دمای آن‌ها را هرچه بیشتر به صفر مطلق نزدیک کنند. صفر مطلق یا صفرِ کلوین، معادل 273.15- درجه سانتی‌گراد است. انرژی سامانه‌های ترمودینامیک در دمای صفر مطلق به حداقل می‌رسد و ماده در چنین دمایی تقریبا هیچ گرما و تحرکی ندارد.

اگر گاز بسیار رقیق، خیلی خنک شود، ویژگی‌های عجیبی از خود بروز می‌دهد. برخی گازها در دماهای بسیار پایین به چگالش بوز-اینشتین (Bose-Einstein condensate) تغییر حالت می‌دهند که بعد از جامد، مایع، گاز و پلاسما به پنجمین حالت ماده نیز معروف است. در این حالت، تمام اتم‌های گاز هماهنگ با هم حرکت می‌کنند. فیزیکدان‌ها پیش‌بینی می‌کنند که اگر گازهای حاوی مولکول‌های قطبی تا حد خاصی خنک‌ شوند، حالت‌های کوانتومی مختلفی به خود می‌گیرند. ویژگی‌ بارز این مواد، توزیع غیریکنواخت بار الکتریکی آن‌هاست. آن‌ها برخلاف اتم‌های آزاد، می‌توانند بچرخند، بلرزند و یکدیگر را جذب یا دفع کنند. اما خنک‌سازی گازهای مولکولی و رساندن دمای آن‌ها به نزدیک صفر مطلق کار سختی است.

پژوهشگران موسسه ماکس پلانک برای غلبه بر این مشکل، راه‌کار ساده و موثری یافتند. آن‌ها برای کاهش شدید دمای مولکول‌های گازی، از میدان مایکروویو چرخشی بهره بردند تا با ایجاد نوعی سپر انرژی، از تشدید برخورد بین مولکول‌ها جلوگیری کنند. ریزموج یا مایکروویو نیز مثل نور مرئی، بخشی از طیف الکترومغناطیسی است.

 محققان با این روش توانستند مولکول‌های گاز سدیم-پتاسیم را تا 21 میلیونیُمِ درجه بالای صفر مطلق، خنک کنند و رکورد جدیدی به‌جای نهند. با این شیوه می‌توان شکل‌های جدیدی از مواد کوانتومی ایجاد و درباره آن‌ها کاوش کرد که قبلا دستیابی‌ به آن‌ها ممکن نبود.

فرآیندی شبیه سرد کردن قهوه

محققان در آزمایش‌های‌شان مولکول‌های گاز سدیم-پتاسیم (NaK) به‌کار بردند و بوسیله لیزر آن‌را در تله‌‌ی نور، محصور کردند. آن‌ها برای خنک کردن گاز سدیم-پتاسیم بر روش سنتی یعنی خنک‌سازی اتم‌های آزاد یعنی خنک‌سازی با تبخیر تکیه کردند. قهوه داغ شما نیز با همین روش خنک می‌شود.  

«شین-یو لو» سرپرست آزمایشگاه مولکول‌های قطبی فوق‌سرد می‌گوید، مولکول‌های آب در قهوه پیوسته با هم برخورد و بنابراین بخشی از انرژی جنبشی خود را با هم مبادله می‌کنند. اگر دو مولکول  با مقدار انرژی خاص با هم برخورد کنند، ممکن است یکی از آن‌ها چنان سرعت بگیرد که از قهره بگریزد؛ یعنی بشکل بخار از فنجان قهوه خارج ‌شود. مولکول دوم که انرژی کمتری دارد باقی می‌ماند. قهوه داغ این‌گونه کم‌کم خنک می‌شود. گاز نیز به‌همین روش می‌تواند چنان خنک شود که دمایش به چند نانوکلوین (یعنی تنها چند میلیاردم درجه بالاتر از صفر مطلق) کاهش یابد.

«لو» می‌گوید، اما اگر گاز حاوی مولکول باشد، باید علاوه بر این، در دمای بسیار کم تثبیت شود، زیرا مولکول‌ها در مقایسه با اتم‌های آزاد ساختار بسیار پیچیده‌تری دارند. کنترل حرکت مولکول‌ها حین برخوردشان با یکدیگر سخت است چون ممکن است حین برخورد به هم بچسبند. آندریاس شیندولف، آزمایشگر گروه می‌گوید، ضمنا مولکول‌های قطبی شبیه آهن‌رباهای ریزی عمل می‌کنند که ممکن است به هم بچسبند و از دست بروند که در این‌صورت، دیگر نمی‌توان آن‌ها را مطالعه کرد. این مشکلات در سال‌های اخیر محددویت‌ بزرگی برای محققان ایجاد کرده بودند.

ریزموج (مایکروویو) مولکول‌ها را از هم دور نگه می‌دارد

محققان برای غلبه بر این مانع، از  میدان مایکروویو چرخشی قدرتمندی بهره بردند تا مثل سپر انرژی عمل کند و اجازه ندهد مولکول‌ها به هم بچسبند. میدان مایکروویو چرخشی، مولکول‌ها را با بسامد بالا می‌چرخاند. لذا وقتی دو مولکول خیلی به هم نزدیک می‌شدند، می‌توانستند انرژی جنبشی خود را با هم مبادله کنند اما در عین حال، خودشان را طوری تراز می‌کردند که یکدیگر را دفع کنند و دوباره سریعا از هم جدا شوند.

محققان برای ایجاد این‌نوع میدان مایکروویو، زیر تله‌ی نوری که حاوی مولکول‌های گاز سدیم-پتاسیم بود، یک آنتن مارپیچی جای دادند. با این روش، مولکول‌ها خیلی کمتر به هم قفل می‌شدند و ضمنا برهم‌کنش الکتریکی قوی و بلندمدتی بین مولکول‌ها شکل می‌گرفت. درنتیجه، آن‌ها تحت تاثیر میدان مایکروویو چرخشی با تناوب بیشتری (هر مولکول بطور متوسط حدود 500 بار) با هم برخورد می‌کردند. لذا گاز بوسیله تبخیر خنک می‌شد و دمای آن به حدود صفر مطلق میل می‌کرد.

رکوردی جدیدی برای کاهش دما

محققان با روش جدید، پس از تنها یک‌سوم ثانیه، دما را به حدود 21 نانوکلوین کاهش دادند. قبل از این، دمای مولکول‌های قطبی یک گاز تا این حد کاهش نیافته بود. وقتی دما به این حد و کمتر از آن کاهش یابد، گاز از خود آثار کوانتومی و رفتاری عجیب بروز می‌دهد.

محققان ماکس پلانک بر این باورند که با بهبود فنی سازوکارهای‌شان می‌توانند دما را حتی از این میزان نیز پایین‌تر بیاورند. یافته‌های حاصل از این روش ممکن است در حوزه تحقیقات آثار کوانتومی و مواد کوانتومی نیز پیامدهای مهمی داشته باشد.

امانوئل بلوک، سرپرست بخش کوانتوم نورِ موسسه ماکس پلانک اشاره می‌کند که چون این شیوه جدید خنک‌سازی، خیلی ساده است و می‌توان آن را در اکثر سازوکارهای آزمایشی با مولکول‌های قطبی فوق‌سرد نیز به کار برد، بعید نیست که به‌زودی کاربردهای گسترده‌ای بیابد و به یافته‌های جدید دیگری منجر شود.

خنک‌سازی با کمک ریزموج نه‌فقط برای کاوش درباره حالت‌های خاص مواد مثل حالات فوق‌مایع و فوق‌جامد، بلکه برای فناوری‌های کوانتومی نیز می‌تواند مفید باشد. مثلا شاید بتوان از مولکول‌های فوق‌سرد برای ذخیره داده‌ها در رایانه‌های کوانتومی بهره گرفت.