นักฟิสิกส์เข้าใกล้เส้นทางที่ง่ายกว่าในการสลายโมเลกุลควอนตัม

นักฟิสิกส์เข้าใกล้เส้นทางที่ง่ายกว่าในการสลายโมเลกุลควอนตัม

การทำให้อะตอมเย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่เย็นจัดเป็นงานประจำในห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ของอะตอม แต่โมเลกุลเป็นข้อเสนอที่ยุ่งยากกว่า ปัจจุบัน นักวิจัยในสหรัฐฯ ได้ใช้วิธีผสมผสานที่ใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อทำให้โมเลกุลเย็นลงกว่าเดิม ซึ่งเป็นความสำเร็จที่สามารถปูทางสำหรับการใช้งานในด้านต่างๆ เช่น ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงและการคำนวณด้วยควอนตัม ในชีวิตประจำวัน เราไม่เห็น

ผลกระทบ

ที่แปลกประหลาดของกลศาสตร์ควอนตัม เนื่องจากสถานะควอนตัมของอนุภาครอบตัวเรานั้นยุบตัวหรือคลายตัวอยู่ตลอดเวลาในขณะที่พวกมันมีปฏิสัมพันธ์กัน อย่างไรก็ตาม ที่อุณหภูมิใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ อนุภาคที่เหมือนกันบางอนุภาคจะครอบครองสถานะควอนตัมพลังงานต่ำที่สุดพร้อมๆ กัน

ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าความเสื่อมของควอนตัม และแสดงให้เห็นการทดลองในปี 1995 เมื่อกลุ่มที่นำ (ขณะนั้นอยู่ที่มหาวิทยาลัยโคโลราโด เมืองโบลเดอร์) แจากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) ได้สร้างปรากฏการณ์แรกขึ้น กับอะตอมของรูบิเดียมและโซเดียมตามลำดับ

กลุ่มอื่น ๆ ได้สร้างคอนเดนเสทในภายหลังโดยใช้สปีชีส์อะตอมอื่น ๆ และมีการพัฒนาเทคนิคต่าง ๆ เพื่อทำให้อะตอมเย็นลงไปสู่ความเสื่อมของควอนตัม ในวิธีการที่ง่ายที่สุดวิธีหนึ่ง ตัวอย่างของอะตอมจะถูกกักขังไว้ในกับดักแม่เหล็กหรือกับดักแสง อะตอมที่ร้อนกว่าซึ่งมีพลังงานจลน์มากกว่าจะสามารถหลบหนี

หรือระเหยออกจากกับดักนี้ได้ง่ายขึ้น ดังนั้นอะตอมที่เหลือจึงเย็นลง ในอีกวิธีหนึ่งที่เรียกว่าการระบายความร้อนด้วยความเห็นอกเห็นใจ อะตอมประเภทหนึ่งจะถูกทำให้เย็นลงโดยตรงและปล่อยให้ความร้อนกับอะตอมของอีกประเภทหนึ่ง ซึ่งจะทำให้อะตอมเหล่านั้นเย็นลงโดยการดึงพลังงานจลน์

ของพวกมันออกมาอิสระมากขึ้น ปัญหาก็มากขึ้น นักฟิสิกส์ยังได้พยายามทำให้โมเลกุลเย็นลงเพื่อลดความเสื่อมของควอนตัม เนื่องจากฟิสิกส์ของพวกมันสมบูรณ์และซับซ้อนกว่าของอะตอมที่ไม่มีการจับคู่ “โมเลกุลมีการหมุนเวียนและการสั่น และถ้าคุณเลือกโมเลกุลของคุณอย่างชาญฉลาด 

มันก็สามารถ

มีโมเมนต์ไดโพลไฟฟ้าแรงมากได้” นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยอัมสเตอร์ดัมในเนเธอร์แลนด์อธิบาย “นั่นทำให้โมเลกุลมีอันตรกิริยาระหว่างไดโพล-ไดโพลที่แข็งแกร่งมาก ซึ่งทำให้พวกมันมีศักยภาพสูงสำหรับการจำลองควอนตัมของระบบสปินแลตทิซ ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง ระบบโทโพโลยี…

รายการข้อเสนอทางทฤษฎีที่ไม่รู้จบ” น่าเสียดายที่ความซับซ้อนนี้ทำให้โมเลกุลเย็นลงได้ยากขึ้น ตัวอย่างเช่นกระบวนการระบายความร้อนด้วยความเห็นอกเห็นใจอาศัยการชนแบบยืดหยุ่นเพื่อถ่ายโอนพลังงานระหว่างอนุภาค อย่างไรก็ตาม โมเลกุลสามารถรับการชนแบบไม่ยืดหยุ่นได้อย่างง่ายดาย

ซึ่งจะปลดปล่อยพลังงานจากองศาการหมุน การสั่น และองศาอิสระอื่นๆ การปลดปล่อยพลังงานภายในนี้ทำให้พลังงานจลน์เพิ่มขึ้นอย่างมาก และมักจะจบลงด้วยการที่โมเลกุลหายไปจากกับดัก แม้ว่าโมเลกุลจะถูกสร้างขึ้นใน BECsจากอะตอมคู่ของสปีชีส์อะตอมเดียวกันตั้งแต่ต้นปี 2000 

แต่ก็ไม่เป็นเช่นนั้นจนกระทั่งปี 2019 ถึงขั้นที่เทียบเท่ากับโมเลกุลมีขั้ว ในงานดังกล่าว Jun Ye และเพื่อนร่วมงานที่ JILA ในเมืองโบลเดอร์ รัฐโคโลราโด ได้ทำให้อะตอมของโพแทสเซียมและรูบิเดียมเย็นลงไปสู่ความเสื่อมทางควอนตัม จากนั้นจึงนำพวกมันมารวมกันและปรับปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็ก

ระหว่างพวกมันโดยใช้เสียงสะท้อนที่เรียกว่า การปรับแต่งนี้ทำให้อะตอมสามารถสร้างพันธะโควาเลนต์ได้อย่างมีพลัง เย็นขึ้นและเย็นลงในงานใหม่นี้ และเพื่อนร่วมงานที่ MIT ได้นำแนวทางที่กว้างกว่ามาใช้ และอาจนำไปใช้ได้อย่างกว้างขวางมากขึ้น พวกเขาเริ่มต้นด้วยการใช้ เพื่อสร้างโมเลกุล

ของโซเดียม-ลิเธียมในกับดักออปติคัลที่เกิดขึ้นที่จุดโฟกัสของลำแสงเลเซอร์ โมเลกุลในกับดักแสงนี้ “รู้สึก” ถึงศักยภาพในการดักจับที่รุนแรงกว่าอะตอมที่พวกมันก่อตัวขึ้น ดังนั้นพวกมันจึงแลกเปลี่ยนพลังงานศักย์เป็นพลังงานจลน์ ซึ่งร้อนกว่าอะตอมของโซเดียมที่ไม่ได้จับคู่ในกระบวนการนี้ 

อย่างไรก็ตาม 

การวางโมเลกุลให้อยู่ในสถานะสปินแบบยืดออก (ซึ่งทั้งสปินแบบอิเล็กทรอนิกส์และนิวเคลียสอยู่ในแนวเดียวกับสนามแม่เหล็กที่ใช้) นักวิจัยจึงยับยั้งการชนแบบไม่ยืดหยุ่นอย่างมาก ซึ่งมิฉะนั้นแล้วอาจผลักโมเลกุลออกจากกับดัก เพื่อให้เย็นยิ่งขึ้น นักวิจัยใช้ศักยภาพในการดักจับ

ที่อ่อนแอกว่าที่อะตอมสัมผัสได้ “เราลดพลังของกับดักแสงเพื่อให้อะตอมที่มีพลังมากที่สุดหลุดออกไป” ฮยองมก ซอน นักศึกษาปริญญาเอกจากกลุ่ม และผู้เขียนนำรายงานอธิบาย “อะตอมที่เหลืออยู่ในกับดักจะชนกันเองและเย็นลง อะตอมที่เย็นกว่าเหล่านี้จะชนกับโมเลกุลเพื่อทำให้เย็นลงอีก 

และนี่เป็นกระบวนการต่อเนื่อง” จำเป็นต้องอัพเกรดในที่สุด นักวิจัยได้ทำให้ตัวอย่างเย็นลงเหลือ 220 nK และ Son กล่าวว่าพวกเขาควรจะทำให้เย็นลงถึงระดับควอนตัมเสื่อมได้ หากพวกเขาสามารถดักจับอะตอมของโซเดียมได้มากขึ้นด้วยโมเลกุลของพวกมัน “นั่นจะต้องมีการอัปเกรดทางเทคนิค

สำหรับการตั้งค่าทดลองของเรา” เขากล่าวเสริม “เรากำลังพยายามหาเลเซอร์ที่ทรงพลังมากขึ้น” ในระหว่างนี้ นักวิจัยตั้งใจที่จะศึกษาว่าพลังงานความเย็นเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็ก เพื่อให้มั่นใจว่าสอดคล้องกับการทำนายทางทฤษฎีหรือไม่

ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับงานนี้เรียกเทคนิคนี้ว่า “ทรงพลังมาก” และบอกว่ามันน่าจะใช้ได้กับโมเลกุลอื่นๆ ด้วย “มันไม่มีขีดจำกัดจริงๆ” เขากล่าว “ด้วยการปรับปรุงเพิ่มเติมเกี่ยวกับเลขอะตอมเริ่มต้น พวกเขาควรจะสามารถผลักดันสิ่งนี้ไปสู่ความเสื่อมของควอนตัม”

credit : เว็บแท้ / ดัมมี่ออนไลน์