دستاوردهای نوآورانه فیزیک در سال ۲۰۲۴: از تراشه کوانتومی ویلو تا کشف آتشفشان در ماه

پوزیترونیوم سیستمی بسیار ایده‌آل برای پژوهشگران فیزیک نظری است، زیرا هیچ پیچیدگی اضافی‌ ندارد. همچنین، سطوح انرژی این ذرات نقطه‌مانند را با دقت فوق‌العاده بالایی می‌تواند مطالعه کرد. درنتیجه، پوزیترونیوم سیستمی بی‌نظیر برای انجام آزمایش‌های پیشرفته و بررسی خواص پادماده است.

پژوهشگران AEgIS با سردسازی پوزیترونیوم، امید دارند بتوانند اثرات حرکت زمین در مدار خورشید را از طریق اندازه‌گیری فرکانس خاص پوزیترونیوم و مشاهده‌ی انتقال به سرخ گرانشی، بررسی کنند. این آزمایش نه‌تنها نقطه عطفی در مطالعه‌ی پادماده خواهد بود، بلکه دریچه‌ای تازه به‌سمت درک قوانین بنیادین طبیعت باز می‌کند. سردسازی پوزیترونیوم کلید اصلی این پیشرفت بی‌سابقه است، زیرا امکان بررسی دقیق‌تر ویژگی‌های این ماده‌ی اسرارآمیز را فراهم می‌کند. در ادامه، کمی در مورد این فرآیند سردسازی پوزیترونیوم با لیزر، صحبت می‌کنیم.

هنگامی‌که نور لیزر با فرکانسی خاص را بر یک اتم می‌تابانیم، آن اتم به یکی از حالت‌های برانگیخته‌اش (حالت‌هایی با انرژی بیشتر) می‌رود. تا زمانی‌که فرکانسِ لیزرِ تابیده شده با اختلاف انرژی حالت‌های برانگیخته‌ی اتم مطابقت داشته باشد، این اتفاق رخ می‌دهد.

به زبان ساده، اتم، انرژی لیزر را جذب می‌کند و از حالت عادی به حالت پرانرژی‌تر (برانگیخته) می‌رود. این فرآیند به‌دلیل هماهنگی دقیق بین انرژی لیزر و تفاوت انرژی بین حالت‌های اتم، امکان‌پذیر است. اتم پس از رفتن به حالت برانگیخته، به حالت کم‌انرژی‌تر یا حالت زمینه که حالتی پایدارتر است، برمی‌گردد. این بازگشت، با تابش فوتون در جهتی تصادفی همراه است. اما این تمام داستان نیست و بخش بسیار مهم‌تری نیز وجود دارد.

فشار تابشی به نیرویی اشاره دارد که به‌دلیل جذب و انتشار فوتون‌ها، بر یک اتم وارد می‌شود و می‌تواند باعث حرکت یا تغییر مسیر آن شود. با تابش مداوم لیزر، اتم به حالت برانگیخته می‌رود و پس از مدت زمان کوتاهی به حالت پایه برمی‌گردد. با تکرار این چرخه، اتم به تدریج در جهت تابش لیزر سرعت می‌گیرد.

برای کنترلِ دقیق‌ترِ حرکت اتم‌ها، به پدیده‌ی جالب دیگری به‌نام اثر دوپلر نیاز داریم. این اثر زمانی اتفاق می‌افتد که اتم در حال حرکت به سمت لیزر یا دور شدن از آن باشد. همان‌طور که گفتیم، اتم، تنها می‌تواند فوتون‌هایی را با فرکانس خاص بپذیرد. حال فرض کنید فرکانس لیزر تابیده شده، دقیقا با انرژی لازم برای برانگیختگی اتم مطابقت نداشته باشد. در این حالت، اتم، تنها زمانی لیزر را حس می‌کند و برانگیخته می‌شود که در حال حرکت به‌سمت لیزر یا دور شدن از آن باشد. این حالت، مشابه شنیدن صدای آمبولانس در اتوبان است. صدای آمبولانس، هنگام نزدیک شدن یا دور شدن از ما تغییر می‌کند. به این پدیده اثر دوپلر می‌گوییم.

به‌لطف فشار تابشی می‌توان سیستمی طراحی کرد که تنها اتم‌هایی با سرعت خاص، به لیزر واکنش نشان دهند. به عبارت ساده‌تر، ما می‌توانیم اتم‌هایی را که مثلا در حال حرکت به سمت لیزر هستند، انتخاب و برانگیخته کنیم. این روش راهکاری مناسب برای کنترل حرکت اتم‌ها با استفاده از نور است.

حال برای سردسازی اتم از دو لیزر که یکی از سمت راست و دیگری از سمت چپ تابیده می‌شود، استفاده می‌کنیم. فرکانسِ دو لیزر بسیار نزدیک به فرکانسِ لازم برای برانگیختگی اتم است. درنتیجه، اتم‌ (پوزیترونیوم) تنها زمانی تحریک می‌شود که با سرعت مشخصی به سمت یکی از لیزرها حرکت کند.