نگاه تازه‌ای به دنیای پیچیده فیزیک کوانتومی؛ ثبت نخستین عکس از یک اتم منفرد/ ویدئو_صبح سریع

دانشمندان برای نخستین‌بار موفق شدند تصویری از یک اتم منفرد ثبت کنند؛ دستاوردی که می‌تواند مسیر تحقیقات علمی به‌اختصاصی در فیزیک کوانتومی را منقلب سازد.

به گزارش گلس آلمنک، این عکس که توسط دیوید نادلینگر، فیزیک‌دان دانشگاه آکسفورد، از یک اتم استرانسیم ثبت شده، تحسین جهانی را برانگیخته و جایزه رقابت عکاسی علمی شورای تحقیقات مهندسی و علوم فیزیکی بریتانیا (EPSRC) را نیز از آن خود کرده است.

اتم؛ ذره‌ای بنیادی با ساختاری پیچیده

اتم کوچک‌ترین واحد سازنده ماده در جهان است و از یک هسته مرکزی شامل پروتون‌ها و نوترون‌ها راه اندازی شده که الکترون‌ها به‌دور آن در حال گردش‌اند. پروتون دارای بار مثبت، الکترون دارای بار منفی و نوترون بدون بار الکتریکی است. تعداد پروتون‌های هر اتم، عنصر شیمیایی آن را اشکار می‌کند. تا بحال بیشتر از صد عنصر شیمیایی شناسایی شده‌اند؛ از هیدروژن به‌گفتن ساده‌ترین عنصر تا اوگانسون به‌گفتن پیچیده‌ترین.

این عناصر می‌توانند با یکدیگر ترکیب شده و مولکول‌ها را شکل دهند. درواقع، اتم‌ها پایه و مبنا همه اجسام حاضر در جهان، از هوای اطراف ما تا کهکشان‌های دوردست را راه اندازی خواهند داد.

با این حال، مطالعه اتم‌ها به علت ابعاد زیاد کوچکشان—تنها چند دهم نانومتر (هر نانومتر برابر با یک میلیاردم متر است) —کاری بسیار دشوار است. فیزیک‌دانان طبق معمولً برای کنترل و بازدید آنها از میدان‌های الکترومغناطیسی منفعت گیری می‌کنند، اما تا پیش از این، امکان مشاهده مستقیم یک اتم به‌صورت منفرد وجود نداشت و تنها بازدید گروهی آنها ممکن می بود.

شاهکاری فناورانه: چطور این عکس ثبت شد؟

برای ثبت این عکس، ابتدا اتم استرانسیم با منفعت گیری از پرتو لیزر تا دمایی زیاد پایین خنک شد و سپس با میدان مغناطیسی در جای خود به‌دام افتاد. دوربینی مخصوص که برای ثبت یون‌های منفرد طراحی شده، با تاباندن پرتو‌های نوری به این اتم، توانست تصویری از آن به‌دست آورد. در این عکس، اتم به‌صورت نقطه‌ای کوچک و درخشان به رنگ آبی بین دو الکترود معلق دیده می‌شود.

عکس اولیه به‌صورت سیاه‌وسفید ثبت شد و رنگ آبی به‌صورت دیجیتالی برای افزایش وضوح به آن افزوده شده است. این چنین، این عکس مستقیماً هسته اتم را نمایش نمی‌دهد، بلکه آنچه قابل مشاهده است، ابر الکترونی اطراف هسته است. چون تنها الکترون‌ها می باشند که می‌توانند با نور برهم‌کنش کرده و تصویری مرئی تشکیل کنند.

چرا اتم استرانسیم؟

علت انتخاب استرانسیم توسط نادلینگر چند بُعد دارد. نخست آن‌که استرانسیم عنصری نسبتاً رایج در طبیعت است و از این رو گزینه‌ای عملی برای آزمایش‌های فیزیک کوانتومی به حساب می اید. از نظر دیگر، این عنصر برای فرایند خنک‌سازی زیاد مناسب است؛ فرایندی حیاتی برای به‌دام انداختن اتم منفرد، چراکه با افت شدت حرکت اتم، امکان نگه‌داشتن آن در موقعیت ثابت فراهم می‌شود.

افزون بر این، استرانسیم دارای چندین ایزوتوپ (گونه‌هایی از یک عنصر که تعداد نوترون‌های متغیری دارند) است که این ویژگی به فیزیک‌دانان امکان می‌دهد آزمایش‌های قیاس‌ای متنوعی برای بازدید ویژگی‌های کوانتومی انجام بدهند.

تأثیر این عکس بر جامعه علمی چیست؟

بعد از انتشار کردن این عکس، تحسین گسترده‌ای از سوی جامعه علمی به‌جستوجو داشت و نقطه عطفی در پیشرفت فناوری‌های مرتبط با فیزیک کوانتومی محسوب شد. ثبت موفق عکس یک اتم منفرد، اثباتی بر توانایی دانشمندان در مهار و مشاهده ذرات بنیادین ماده است؛ امری که کاربرد‌های زیاد در حوزه‌هایی همانند رایانش کوانتومی دارد. رایانش کوانتومی، شاخه‌ای نوین از فناوری اطلاعات است که بر پایه اصول مکانیک کوانتومی بنا شده و قادر است محاسباتی زیاد سریع تر و پیچیده‌تر از رایانه‌های کلاسیک انجام دهد.

علاوه بر اهمیت علمی، این عکس از جنبه زیبایی‌شناسی نیز مورد دقت قرار گرفت؛ تصویری که چهره‌ای واقعی به مفاهیم انتزاعی فیزیک کوانتومی بخشیده و دقت عمومی را نیز به خود جلب کرده است. از زمان انتشار کردن این عکس، علاقه به مطالعه و پژوهش در حوزه فیزیک کوانتومی افزایش یافته و مسیر برای دستاورد‌های دقیق‌تر و گسترش یافتهتر هموارتر شده است.

عکس ثبت‌شده توسط دیوید نادلینگر از یک اتم استرانسیم، گامی بزرگ در دنیای فیزیک کوانتومی به‌حساب می‌آید. این دستاورد فنی بی‌سابقه، نشان‌دهنده توانایی دانشمندان در کنترل، خنک‌سازی و مشاهده مستقیم اتم‌های منفرد است؛ توانمندیای که می‌تواند مسیر گسترش فناوری‌های نوین، به‌اختصاصی در عرصه رایانش کوانتومی، را هموار کند.

این عکس نه‌تنها نمادی از نبوغ علمی بشر است، بلکه اثباتی بر قوت علم در آشکارسازی آن‌چیزی است که تا پیش از این در قلمرو نامرئی‌ها جای داشت.

شناسایی این عکس توسط EPSRC به‌گفتن یک تاثییر علمی برجسته، بار دیگر بر اهمیت پژوهش‌های بنیادی و تأثیر آنها بر آینده علم و فناوری پافشاری می‌کند. در جهانی که مرز‌های دانش به‌شدت در حال گسترش‌اند، این چنین دستاورد‌هایی امیدبخش چشم‌انداز‌هایی نوین برای شناخت بهتر حقیقت و تحول آینده بشر می باشند.