علم

التبريد الكمي - باستخدام الليزر؟

التبريد الكمي - باستخدام الليزر؟

[مصدر الصورة: Ars Electronica]

أدى اكتشاف الموصلية الفائقة عام 1911 من قبل الفيزيائي الهولندي Heike Kamerlingh Onnes إلى ترك العلماء يحاولون تبريد الجسيمات إلى الصفر المطلق (0 كلفن ، أو 0 كلفن) للوصول إلى حالة الموصلية الفائقة. الموصلية الفائقة هي حالة لا تتمتع فيها الجسيمات بأي مقاومة تقريبًا ، وهو تأثير كمي. يمكن للموصل الفائق أن يدعم إمدادًا غير محدود بالكهرباء دون فقد أي طاقة بسبب الحرارة أو الصوت - مما يحدث ثورة في كيفية استخدامنا للطاقة. لكنها جاءت مع تطور أكبر: ديماجناتيسم. النفاذية المغناطيسية هي ظاهرة تمنع حدوث في الجسيمات فائقة التبريد الكلالمجالات المغناطيسية من الاختراق أثناء إنشاء مجال مغناطيسي معاكس يصد أي قوة مغناطيسية مطبقة. يعتبر النفاذية المغناطيسية أمرًا رائعًا في التوصيل الفائق والارتفاع لأنه يصد جميع المغناطيسات ، ويعد بإحداث تقدم كبير في النقل قيد الاستخدام بالفعل. ولكن كيف يمكنك تبريد الجسيمات إلى ما يقرب من 0 كلفن؟ وما هو حتى 0 ك؟

[مصدر الصورة: ستيف جيرفتسون]

صفر كلفن هو الصفر المطلق ، حيث لا توجد طاقة على الإطلاق في مادة ما - أبرد درجة حرارة مطلقة يمكن أن يحصل عليها أي شيء. عند 0 كلفن ، يكون الجسيم ساكنًا تمامًا. لكن كيف تحصل على شيء بارد؟ بينما ينتج الضوء كما نعرفه الدفء الذي نشعر به هنا على الأرض ، لا يعني ذلك بالضرورة أن كل الضوء سيولد الحرارة فقط. درجة الحرارة هي متوسط ​​السرعة التي تمتلكها مجموعة من الذرات ، وكلما زادت حركتها ، زادت الحرارة. يحمل الضوء زخمًا لأن الزخم عادل كتلة مرات ● السرعة. لكن الضوء ليس له كتلة؟ حسنًا ، لا ، ولكنه يحتوي على ملف الطاقة / معادلة الكتلة، أفضل وصفًا بواحدة من أشهر معادلات آينشتاين E = mc². إعادة الترتيب للكتلة ويمكن استبدال المعادلة مرة أخرى في قانون الزخم ، واشتقاق معادلة زخم الضوء.

نظرًا لأن الضوء يحمل زخمًا ، يمكن نقل طاقته إلى جزيئات ، مثل كرة التنس التي تضرب كرة السلة. اقذف الكرة بقوة كافية وستتمكن من تحريك كرة السلة. تنتقل جزيئات الهواء بسرعة حوالي 4000 كم / ساعة ، مما يجعل دراستها صعبة للغاية لأنها لا تبقى في منطقة واحدة لفترة طويلة جدًا. يمكن استخدام الليزر لالتقاط الذرات في المصيدة الضوئية المغناطيسية ، أو MOT- والتي تعمل بشكل مشابه لتأثير هبوط الذبابة على طبقة سميكة من دبس السكر - وبالتالي يطلق عليها اسم التأثير "دبس السكر " . لكن كيف يمكنك إبطاء الذرات إذا كان الضوء دائمًا يريد الدفع؟ اكتشف العلماء طريقة للدفع امام من الجسيمات المتحركة مع الليزريأخذ بعيدا سرعة الجسيمات ، مما يقلل من زخمها الكلي.

اكتشف ستيفن تشو هذه الظاهرة في عام 1985 وتُعرف باسم التبريد بالليزر. وضع ستيفن وزملاؤه عدة أشعة ليزر داخل حجرة غاز مكونة شكل حرف "t" في المركز. عندما تطفو الجسيمات حولها ، يصبح المرء في النهاية محاصرًا في منتصف الليزر حيث يتم قصفه بفوتونات تضرب بدقة في الاتجاهات المعاكسة التي كان الجسيم يحاول تحريكها. أحدث هذا تأثيرًا مشابهًا لشخص يحاول ركوب الدراجة عكس الريح. كلما كانت قوة الرياح في الاتجاه المعاكس أقوى ، كلما كان راكب الدراجة النارية أكثر صعوبة ، وبالتالي أبطأ - يتوقف في النهاية بمجرد أن تصبح الرياح قوية جدًا (دعونا نأمل ألا يكون ذلك في إعصار).

[مصدر الصورة: Asaf]

تم تبريد الجسيمات إلى ما يقرب من 0 ك ، العدد السحري. يهتم العلماء للغاية بالحصول على صفر كلفن لإخراج أقصى تأثير كمي للجسيمات دون الذرية. الشيء الجميل في الجسيمات هو أن الإلكترونات الصغيرة التي تدور حول النواة يمكنها فقط أن تعطيبعضالبيانات- أبدا كل ذلك (هذه خاصية كمومية). إما أن تعرف بالضبط مدى سرعة الإلكترون دون أي فكرة على الإطلاق عن مكانه ، أو يمكنك معرفة مكان وجود الإلكترون ، ولكن ليس لديك أي فكرة عن مدى سرعته. على نحو فعال ، قام العلماء الذين قاموا بتبريد الجسيمات بإبطاء الإلكترونات إلى درجة صفر كلفن ، أي نصف مليار درجة فوق الصفر المطلق. أبرد درجة حرارة في الكون المعروف يقع في سديم بوميرانغ ، ويجلس عند درجة حرارة معتدلة 1 ك (-458 درجة فهرنهايت أو -272 درجة مئوية) مما يجعل أبرد مكان في الكون في الواقع أرض.عند 0 ك ، يمكن أن تكون الإلكترونات على الجانب الآخر من الكون لأن السرعة كانت معروفة تمامًا تقريبًا ، مما يعني أنه لا أحد يعرف مكان وجود الإلكترون. هذا يفتح ظاهرة جميلة تسمى الموصلية الفائقة والتناسلية - حالة رائعة أخرى من المادة.

[مصدر الصورة: NASA، the Boomerang Nebula]

لن يؤدي التفكير التقليدي إلى نتائج جديدة. من كان يظن أن استخدام الليزر لن ينتج عنه فقط أبرد درجة حرارة أرض، ولكن أبرد درجة حرارة فيالكون المعروف؟العلم مهم لفهم كيفية عمل الكون ، والذي قد يكشف عن أسرار كيف ظهر البشر وكل شيء. يستمر العلم في التحسن بمعدلات غير مسبوقة ، حيث يتغير إلى الأبد ويشكل المستقبل والحياة كما نعرفها.

راجع أيضًا: طريقة الليزر المعدلة تنشئ وحدات طاقة دقيقة

بقلم مافريك بيكر


شاهد الفيديو: تركيب وتشغيل آلة الليزر (أغسطس 2021).