بر اساس مقاله ای که اخیراً در مجله نیچر منتشر شده است، فیزیکدانان MIT یک «گردباد کوانتومی» را در ابرهای اتم های فوق سرد تشکیل داده اند. این پدیده اولین مشاهده مستقیم از تکامل یک گاز کوانتومی با سرعت چرخش بسیار بالا است. به گفته نویسندگان، این فرآیند مشابه این است که چگونه اثرات چرخش زمین می تواند منجر به الگوهای آب و هوایی در مقیاس بزرگ شود.
هدف دانشمندان در این پروژه تحقیقاتی مایعات کوانتومی هال بود سیالات هال که در دهه 1980 کشف شد، از ابرهای الکترونی شناور در میدان های مغناطیسی تشکیل شده است. این پدیده در فیزیک کلاسیک مشاهده نمی شود، زیرا در فیزیک کلاسیک الکترون ها یکدیگر را دفع می کنند و با قرار گرفتن در میدان مغناطیسی، در جای خود یخ می زنند، انرژی جنبشی خود را از دست می دهند و کریستال می سازند. اما در تاریخ کوانتومی، همه چیز متفاوت است. الکترون ها همان رفتار همسایگان خود را تقلید می کنند – شواهد همبستگی کوانتومی.
ریچارد فلچر، یکی از محققان این پروژه گفت: «ما فکر کردیم که می‌توانیم این رفتار غیرعادی یک الکترون را با استفاده از ابرهای گاز کوانتومی فوق‌خنک‌شده شبیه‌سازی کنیم. گازهای کوانتومی فوق سرد شده به عنوان “تراکم بوز-اینشتین (BEC)” شناخته می شوند – به افتخار “آلبرت انیشتینو فیزیکدان هندی ساتیندرا بوز، یکی از کاشفان این گاز. به نظر می رسد BEC یک ذره بین قدرتمند در اختیار دانشمندان قرار می دهد تا دنیای عجیب و غریب کوانتومی را بررسی کنند.
یکی از مشکلاتی که دانشمندان در این پروژه با آن مواجه بودند کمبود شارژ برای گازهای اتمی فوق خنک بود. عدم بارگذاری، مدل‌سازی پدیده‌هایی مانند اثر کوانتومی هال را دشوار می‌کند. بنابراین آنها تصمیم گرفتند با ایجاد چرخش در سیستم بر این مشکل غلبه کنند. مارتین زوورلین، فیزیکدان مؤسسه فناوری ماساچوست، می‌گوید: «ما تصمیم گرفتیم با این اتم‌ها به گونه‌ای رفتار کنیم که گویی الکترون‌هایی در یک میدان مغناطیسی هستند. بنابراین ما می توانیم دقیقاً آنها را کنترل کرده و رفتار آنها را اندازه گیری کنیم.»
یک گردباد کوانتومی بسازید
دانشمندان برای اولین بار از لیزر برای خنک کردن حدود یک میلیون اتم گاز سدیم استفاده کردند. اتم های سرد شده توسط یک میدان مغناطیسی در جای خود نگه داشته شدند. مرحله دوم خنک سازی تبخیری است که در آن شبکه ای از میدان های مغناطیسی داغ ترین اتم ها را از مجموعه خارج می کند. این کار به این دلیل انجام می شود که اتم های سردتر فضای بیشتری برای نزدیک شدن به یکدیگر دارند. یک میدان مغناطیسی آنچه می تواند استفاده شود می تواند چرخش لازم را برای این کار ایجاد کند. این چرخش توسط دوربین های CCD در نتیجه پاسخ اتم های سدیم به نور لیزر فلورسنت ثبت شد.
به مدت صد میلی ثانیه، اتم‌ها خود را به گونه‌ای چیده بودند که به نظر می‌رسید دور یک سوزن نازک بلند جمع شده‌اند – یک ریسمان بلند – این ساختار سوزنی‌مانندی که گازهای فوق‌سرد را تشکیل می‌دهد، که سال گذشته در مجله Science.Receipt منتشر شد.
سپس دانشمندان تکامل این شرایط را بررسی کردند: آنها ایجاد کردند ناپایداری کوانتومی آنها رفتار اتم ها را در این ساختار سوزنی مانند مشاهده کردند. فعل و انفعالات اتم‌ها که منجر به بی‌ثباتی در گاز دوار می‌شود، باعث می‌شود اتم‌ها به حباب‌هایی شبیه گردباد تبدیل شوند.
این ساختار گردبادی اتم ها به دانشمندان اجازه می دهد تا به طور مستقیم اثرات کوانتومی را مشاهده کنند. این اثر در علوم مختلف نیز کاربردهای بسیار خوبی دارد. به عنوان مثال، می توان از آن برای سنسورهای ناوبری زیردریایی چرخشی استفاده کرد. زیردریایی ها برای تشخیص حرکت چرخشی به ژیروسکوپ های فیبر نوری متکی هستند. گردباد کوانتومی این می تواند تا حد زیادی دقت این سیستم را نسبت به تغییرات جزئی در چرخش زمین بهبود بخشد.