غاز أحادي البعد مصنوع من الضوء
تمكن الباحثون من حبس غاز الفوتون في قطع مكافئ من الضوء. (IAP/جامعة بون)
ابتكر فيزيائيون غازًا غريبًا أحادي البعد، يحتجز الفوتونات لخلق حالة من المادة تُعرف باسم تكاثف بوز-أينشتاين (BEC).وكما يتحرك خط الكونغا بشكل مختلف تمامًا عن حشد في حفل روك، فإن سلوك المادة يعتمد إلى حد كبير على ما إذا كانت محصورة في صف أحادي البعد أو مسموح لها بالانتشار في منطقة ثنائية الأبعاد.لتحديد النقطة التي يتغير عندها هذا السلوك في نظام كمي، أجرى باحثون من جامعة بون وجامعة كايزرسلاوترن-لانداو في ألمانيا تجربة.كانوا مهتمين بشكل خاص بكيفية تأثير الانتقال إلى حبس أحادي البعد على الخصائص الحرجة للغاز أثناء تبريده وخضوعه لتغير طوري.يتشكل تكاثف بوز-أينشتاين عندما تبرد جسيمات معينة، مثل الفوتونات، وتُحتجز في حيز يُجبرها على التخلي عن فرديتها، لتصبح فعليًا غازًا له هوية كمية مشتركة.وبفضل الطريقة التي تنتشر بها الحرارة والغموض الكمي، يصبح الانتقال إلى هذه الحالة أكثر صعوبة عندما تكون للجسيمات أبعاد أقل يمكنها التحرك فيها بحرية.
الباحثون أثناء العمل. (فولكر لانيرت/جامعة بون)
يقول الفيزيائي فرانك فيوينغر، من جامعة بون: "تختلف الأمور قليلاً عند إنتاج غاز أحادي البعد بدلاً من ثنائي البعد"."تحدث ما يُسمى بالتقلبات الحرارية في غازات الفوتونات، لكنها صغيرة جدًا في بُعدين بحيث لا يكون لها تأثير حقيقي. ومع ذلك، في بُعد واحد، يمكن لهذه التقلبات - مجازيًا - أن تُحدث موجات كبيرة."لتمكين التحول إلى غاز أحادي البعد، استخدم الباحثون حاوية صغيرة تُسمى "التجويف المجهري" وملأوها بمحلول صبغي. استُخدم ليزر لإطلاق الفوتونات في المحلول، مما سهّل تبريدها. قيدت الجدران العاكسة للحاوية خصائص الفوتونات الشبيهة بالموجة، مما جعلها ترتد في مساحة محصورة.والأهم من ذلك، طور الفريق طريقة لإنتاج نتوءات مجهرية على طول الجدران العاكسة باستخدام بوليمر شفاف، مما قلل تدريجيًا من حرية الفوتونات.يقول الفيزيائي كيرانكومار كاركيهالي أوميش، من جامعة بون: "تتصرف هذه البوليمرات كنوع من الميزاب، ولكن في هذه الحالة للضوء". ويضيف: "كلما كان هذا الميزاب أضيق، كان سلوك الغاز أحادي البعد".سمحت هذه التجربة للفريق بتأكيد التوقعات النظرية حول كيفية تشكل مكثفات بوز في أبعاد مختلفة. في المستقبل، يمكن تعديل هياكل البوليمر داخل التجويف المجهري لاختبار نظريات أخرى، ولاستكشاف السلوك الأساسي لهذه الحالات غير العادية للغاية للمادة بشكل أعمق.في الوقت الحالي، تبيّن أن غازات الفوتونات أحادية البعد لا تمتلك نقطة تكاثف دقيقة، لأن حركة الفوتونات مقيدة للغاية - وأنه حتى في حالة خط الكونغا، فإن قوانين فيزياء الكم تحل محل الفيزياء الكلاسيكية بما يكفي لتشكيل حالة تكاثف بوز-آينشتاين جزئية منخفضة الطاقة. ويقول فيوينجر: "لقد تمكنا الآن من دراسة هذا السلوك عند الانتقال من غاز الفوتون ثنائي الأبعاد إلى غاز الفوتون أحادي البعد لأول مرة".
نُشر البحث في مجلة Nature Physics.
ابتكر فيزيائيون غازًا غريبًا أحادي البعد، يحتجز الفوتونات لخلق حالة من المادة تُعرف باسم تكاثف بوز-أينشتاين (BEC).
وكما يتحرك خط الكونغا بشكل مختلف تمامًا عن حشد في حفل روك، فإن سلوك المادة يعتمد إلى حد كبير على ما إذا كانت محصورة في صف أحادي البعد أو مسموح لها بالانتشار في منطقة ثنائية الأبعاد.
لتحديد النقطة التي يتغير عندها هذا السلوك في نظام كمي، أجرى باحثون من جامعة بون وجامعة كايزرسلاوترن-لانداو في ألمانيا تجربة.
كانوا مهتمين بشكل خاص بكيفية تأثير الانتقال إلى حبس أحادي البعد على الخصائص الحرجة للغاز أثناء تبريده وخضوعه لتغير طوري.
يتشكل تكاثف بوز-أينشتاين عندما تبرد جسيمات معينة، مثل الفوتونات، وتُحتجز في حيز يُجبرها على التخلي عن فرديتها، لتصبح فعليًا غازًا له هوية كمية مشتركة.
وبفضل الطريقة التي تنتشر بها الحرارة والغموض الكمي، يصبح الانتقال إلى هذه الحالة أكثر صعوبة عندما تكون للجسيمات أبعاد أقل يمكنها التحرك فيها بحرية.
الباحثون أثناء العمل. (فولكر لانيرت/جامعة بون)
يقول الفيزيائي فرانك فيوينغر، من جامعة بون: "تختلف الأمور قليلاً عند إنتاج غاز أحادي البعد بدلاً من ثنائي البعد".
"تحدث ما يُسمى بالتقلبات الحرارية في غازات الفوتونات، لكنها صغيرة جدًا في بُعدين بحيث لا يكون لها تأثير حقيقي. ومع ذلك، في بُعد واحد، يمكن لهذه التقلبات - مجازيًا - أن تُحدث موجات كبيرة."
لتمكين التحول إلى غاز أحادي البعد، استخدم الباحثون حاوية صغيرة تُسمى "التجويف المجهري" وملأوها بمحلول صبغي. استُخدم ليزر لإطلاق الفوتونات في المحلول، مما سهّل تبريدها. قيدت الجدران العاكسة للحاوية خصائص الفوتونات الشبيهة بالموجة، مما جعلها ترتد في مساحة محصورة.
والأهم من ذلك، طور الفريق طريقة لإنتاج نتوءات مجهرية على طول الجدران العاكسة باستخدام بوليمر شفاف، مما قلل تدريجيًا من حرية الفوتونات.
يقول الفيزيائي كيرانكومار كاركيهالي أوميش، من جامعة بون: "تتصرف هذه البوليمرات كنوع من الميزاب، ولكن في هذه الحالة للضوء". ويضيف: "كلما كان هذا الميزاب أضيق، كان سلوك الغاز أحادي البعد".
سمحت هذه التجربة للفريق بتأكيد التوقعات النظرية حول كيفية تشكل مكثفات بوز في أبعاد مختلفة. في المستقبل، يمكن تعديل هياكل البوليمر داخل التجويف المجهري لاختبار نظريات أخرى، ولاستكشاف السلوك الأساسي لهذه الحالات غير العادية للغاية للمادة بشكل أعمق.
في الوقت الحالي، تبيّن أن غازات الفوتونات أحادية البعد لا تمتلك نقطة تكاثف دقيقة، لأن حركة الفوتونات مقيدة للغاية - وأنه حتى في حالة خط الكونغا، فإن قوانين فيزياء الكم تحل محل الفيزياء الكلاسيكية بما يكفي لتشكيل حالة تكاثف بوز-آينشتاين جزئية منخفضة الطاقة.
ويقول فيوينجر: "لقد تمكنا الآن من دراسة هذا السلوك عند الانتقال من غاز الفوتون ثنائي الأبعاد إلى غاز الفوتون أحادي البعد لأول مرة".
نُشر البحث في مجلة Nature Physics.
