چگاله های گرما
ساعت ۸:۳٤ ‎ب.ظ روز چهارشنبه ٢٩ آبان ۱۳۸٧ : توسط : حسین

 برای ساختن چگاله ی بوز-آینشتاین فیزیکدانان معمولا گاز های اتمی را در چند میلیاردم یک درجه ی کلوین سرد می کنند. به تازگی گزینه ی جدیدی مطرح شده که می توان این سیستم های کوانتمی درشت مقیاس را در دما های نسبتا بالا با استفاده از پولاریتون ها کاوید.

بر اساس مکانیک کوانتمی، طبیعت موجی یک شئ به آن اجازه می دهد تا از میان مانعی بگذرد که از نظر فیزیک کلاسیک مطلقا غیر قابل نفوذ است.
پس چرا نمی توانیم تونل زنی و دیگر پدیده های کوانتمی را در زندگی روزمره مان ببینیم؟

دلیل اینست که این پدیده ها تنها در مقیاس طول موج اتم هایی اتفاق می افتد که اشیا ریز- مقیاس را شکل می دهند، و این طول موج ها بسیار کوچکتر از آنند که اثرشان دیده شود. برابر فرمول      (در این فرمول p اندازه ی حرکت است و برابر است با حاصل جرم در سرعت)، طول موج دوبروی یک اتم نوعی در دمای اتاق در حدود   است.

برای مشاهده ی رفتار موجی یک ذره ما باید اندازه حرکت آن را کاهش دهیم. اگر اندازه حرکت گروهی از ذرات آنقدر پایین باشد که طول موج ذرات با فاصله بینشان برابر شود، تابع موج منحصر به فرد ذرات شروع به انطباق سازنده می کنند یا به عبارتی افزایش می یابند. وضعیت بسیار منظمی که حاصل می شود به نام چگالش بوز- آینشتاین شناخته می شود که در آن تمام ذرات همچون یک موج واحد رفتار می کنند. این پدیده تنها در میان ذراتی به نام بوزون ها که دارای اندازه حرکت زاویه ای و اسپین صحیح هستند شکل می گیرد.

از زمان ساخته شدن اولین چگاله ی بوز- آینشتاین (BEC) از اتم های گاز روبیدیم، 12 پیش، فیزیکدانان علاقمند بوده اند که به این اندازه حرکت بسیار کوچک از طریق سرد کردن ذرات (کم کردن سرعتشان) برسند. اما دمای مورد نیاز فوق العاده پایین است، در مجموع تنها چند میلیاردم درجه، که نیازمند تکنیک های بسیار پیشرفته سرمایش از جمله سرمایش لیزری می باشد. گزینه ی دیگر که هماکنون توسط لابراتوار های بسیاری در سرتاسر دنیا دنبال می شود، ساختن نوع خاصی از ذرات بسیار سبک به نام پولاریتون است. پولاریتون ها که بوزون هایی هستند متشکل از یک جفت حفره- الکترون و یک فوتون، میلیارد ها بار سبک تر از اتم های روبیدیم هستند، بنابراین باید قادر باشند BEC را در دما های بسیار بالاتر تشکیل دهند.

اولین نشانه ی چگاله ی پولاریتون سال گذشته زمانی که Jacek Kasprazk از دانشگاه ژوزف فوریه در فرانسه به همراه همکارانی در سویس و انگلستان، از لیزر برای افزایش پیوسته چگالی پولاریتون ها در یک ریز حفره ی نیمه رسانا که در دمای نسبتا گرم 19K قرار دارد استفاده کردند، بدست آمد. آنها دریافتند که بالای چگالی بحرانی پولاریتون ها شروع می کنند به نشان دادن رفتار همدوس یک BEC.

دیگر محققان این زمینه شک داشتند که پولاریتون ها BEC واقعی بوده باشند، چراکه این رفتار تنها در منطقه ای که با لیزر برانگیخته شده است دیده شده، که این منطقه به خودی خود همدوس است. برای حل این مشکل دیوید اسنوک و همکارانش از دانشگاه پیتزبورگ و آزمایشگاه های بل در ایالات متحده سیستم مشابه ای ساخته اند که در آن پولاریتون ها توسط لیزری تولید می شوند که متعاقباً از برانگیختگی لیزری دوری می کند. آنها این کار را با استفاده از یک میخ تیز به عرض 50 μm انجام دادند که با ایجاد یک پریشانی ناهمگن در ریز حفره تله ای می سازد که پولاریتون ها می توانند در آن انباشته شوند. آنها دریافتند که در این سیستم هنوز BEC در دمای 4.2K شکل می گیرد.

با اینکه این نتیجه به گرمی BEC 19 کلوینی ای که تیم Kasprazk گزارش کرده نیست، دکتر اسنوک به فیزیک وب گفت که از زمان انتشار نتیجه تا کنون آنها دمای چگاله را تا 32K افزایش داده اند: "به دلایل متعدد می توان انتظار داشت که می توانیم به دماهای بالاتر هم برسیم... من رسیدن به دمای اتاق را پیش بینی نمی کنم اما بیش از 100K دور از دسترس نیست."
به علاوه ریز حفره ی تیم آمریکایی از نیمه رسانا های در دسترس گالیم آرسنید که در سیستم های محصور سازی -مانند آنچه که برای گاز های اتمی استفاده می شوند- ساخته شده است که باعث می شود این زمینه برای گروه های تحقیقاتی بیشتری قابل دسترسی باشد.

با این وجود هنوز تردید هایی وجود دارند که آیا سیستم اسنوک یک BED با شرایط متعارف است؟ چرا که پولاریتون ها چنان عمر کوتاهی دارند که سیستم تنها می تواند به شبه- تعادل برسد. اسنوک می گوید:" برخی می خواهند استفاده از عبارت BEC را به سیستم های در تعادل حقیقی محدود کنند. از طرف دیگر عده ای می خواهند این عبارت را کلی تر کنند تا تمامی انواع سیستم ها ازجمله لیزر را در بر گیرد. به نظر من این مسئله بیشتر مربوط می شود به اصطلاحات و نامگذاری فنی."


 pszine.com