روش تازه اندازه‌گیری موقعیت سه‌بعدی یک اتم_صبح سریع

بیشتر از یک دهه است که فیزیکدانان می‌توانند مکان اتم‌های منفرد را با دقتی کمتر از یک هزارم میلی‌متر با منفعت گیری از نوع خاصی از میکروسکوپ اندازه‌گیری کنند. با این حال، این روش تا بحال فقط مختصات x و y را اراعه کرده است و اطلاعاتی در رابطه موقعیت عمودی اتم وجود ندارد.

اکنون روش جدیدی گسترش یافته است که می‌تواند هر سه مختصات فضایی یک اتم را با یک عکس واحد تعیین کند. نتایج این یافته که توسط دانشگاه بن و دانشگاه بریستول اراعه شده، در مجله Physical Review A انتشار شده است.

برای مشاهده اتم‌های منفرد می‌توان از میکروسکوپ گاز کوانتومی منفعت گیری کرد. این به شما امکان می‌دهد مختصات x و y یک اتم را به طور مستقیم تعیین کنید. با این حال، اندازه‌گیری مختصات z آن، یعنی فاصله تا عدسی شیء، زیاد دشوارتر است: برای این که بفهمیم اتم در چه صفحه‌ای قرار دارد، باید چندین عکس گرفته شود که در آن فوکوس در سطوح صفحات گوناگون جابجا شود که این یک فرآیند پیچیده و زمان‌بر است.

تانگی لگراند از مؤسسه فیزیک کاربردی (IAP) در دانشگاه بن توضیح می‌دهد: ما اکنون روشی را گسترش داده‌ایم که در آن، این فرآیند می‌تواند در یک مرحله انجام شود. برای دستیابی به این مقصد، ما از اثری منفعت گیری می‌کنیم که قبلاً از دهه ۱۹۹۰ در تئوری شناخته شده می بود، اما تا این مدت در میکروسکوپ گاز کوانتومی منفعت گیری نشده می بود.

برای آزمایش روی اتم‌ها، ابتدا ملزوم است آنها را به طور قابل توجهی خنک کرد تا به سختی حرکت کنند. بعد از آن، به گفتن مثال می‌توان آنها را در یک موج ایستا از نور لیزر به دام انداخت. آنها سپس به داخل فرورفته‌های موج می‌لغزند، همانند به نحوه نشستن تخم مرغ‌ها در جعبه تخم مرغ. بعد از به دام افتادن، برای نشان دادن موقعیت خود، در معرض تابش یک پرتوی لیزر اضافی قرار می‌گیرند که آنها را تحریک می‌کند تا نور گسیل کنند. فلورسانس حاصل در میکروسکوپ گاز کوانتومی به طور یک لکه گرد و مقداری تار نشان داده می‌شود.

دکتر آندریا آلبرتی توضیح می‌دهد: ما اکنون یک روش اختصاصی برای تحول شکل جبهه موج نوری که از اتم گسیل می‌شود، تشکیل کرده‌ایم. به جای لکه‌های گرد معمولی، جبهه موج تحول شکل یافته یک شکل دمبلی روی دوربین تشکیل می‌کند که به دور خودش می‌چرخد. جهتی که این دمبل در آن قرار می‌گیرد، بستگی به فاصله‌ای دارد که نور باید از اتم تا دوربین طی کند. دکتر Dieter Meschede می‌گوید: به این علت دمبل همانند سوزن روی قطب‌نما عمل می‌کند و به ما امکان می‌دهد مختصات z را مطابق جهت آن بخوانیم.

به نقل از معاونت علمی ریاست‌جمهوری، روش تازه امکان تعیین دقیق موقعیت یک اتم در سه‌بعدی را با یک عکس واحد فراهم می‌کند. برای مثال، اگر می‌خواهید آزمایش‌های مکانیک کوانتومی را با اتم‌ها انجام دهید، این مهم است، چون زیاد تر الزامی است که بتوان موقعیت آنها را دقیقاً کنترل یا ردیابی کرد. علاوه بر این، این روش این چنین می‌تواند برای پشتیبانی به گسترش مواد کوانتومی تازه با ویژگی‌های خاص مورد منفعت گیری قرار گیرد.

دکتر کری ویدنر از دانشگاه بریستول توضیح می‌دهد: برای مثال، ما می‌توانیم بازدید کنیم که هنگامی اتم‌ها در نظم خاصی چیده خواهد شد، کدام اثرات مکانیکی کوانتومی رخ می‌دهد. این مهم به ما این امکان را می‌دهد که تا حدودی خواص مواد سه‌بعدی را بدون نیاز به سنتز آنها همانند‌سازی کنیم.