دستاوردهای عظیم (۶۹): کشف چگالش بوز-اینشتین، پنجمین حالت ماده

چگالش بوز-اینشتین حالتی از ماده است که در آن اتم‌ها یا ذرات زیراتمی را تا نزدیک دمای صفر مطلق سرد می‌کنند و تبدیل به یک وجود مکانیک کوانتومی واحد، که با تابع موج قابل‌توصیف است، در مقیاس نزدیک به ماکروسکوپیک می‌شود. این حالت از ماده در سال ۱۹۲۴ توسط آلبرت اینشتین بر اساس فرمول‌بندی کوانتومی Satyendra Nath Bose فیزیکدان هندی، پیش‌بینی شده‌بود.

با اینکه از دهه‌ها از قبل پیش‌بینی شده بود، اما اولین چگالش بوز-اینشتین اتمی در سال ۱۹۹۵ ساخته‌شد. Eric Cornell و Carl Wieman از JILA، یک موسسه تحقیقاتی  با همکاری (National Institute of Standards and Technology (NIST و University of Colorado، گاز رابیدیوم را تا ۱.۷×۱۰^-۷ K بالای صفر سرد کردند. همراه با Wolfgang Ketterle از MIT، که یک چگالش بوز-اینشتین را با اتم‌های سدیم ساخته‌بود، این محققان برنده جایزه نوبل فیزیک ۲۰۰۱ شدند. مطالعات بر روی چگالش بوز-اینشتین درک ما را از فیزیک کوانتومی گسترش داده‌است و به کشف اثرات جدید فیزیکی منجر شده‌است.

تئوری چگالش بوز-اینشتین به سال ۱۹۲۴ برمی‌گردد، زمانی که Bose در مورد چگونگی رفتار فوتون‌ها تفکر می‌کرد. فوتون‌ها متعلق به یکی از دو نوع ذرات بنیادی هستند که که براساس اینکه اسپین کوانتومی آن‌ها عدد صحیح باشد(۲,۱,۰,…) باشد یا غیرصحیح فرد(۱/۲, ۳/۲, …)، تقسیم‌بندی می‌شوند. نوع قبلی آن‌ها، که بوزون نامیده می‌شدند، به همراه فوتون‌ها اسپین آن‌ها ۱ بود. نوع دیگر فرمیون‌ها هستند، مثل الکترون‌ها، که اسپین آن‌ها ۱/۲ می‌باشد.

همانطور که Bose نوشته‌بود، این دو نوع رفتارهای متفاوتی از همدیگر دارند. بر اساس اصل طرد پائولی، فرمیون‌ها از همدیگر دوری می‌کنند، به همین دلیل هر الکترون در یک گروه حالت کوانتومی جدایی را دارد(که با اعداد کوانتومی متفاوت نشان داده می‌شوند مثل انرژی الکترون‌ها). برعکس، تعداد نامحدودی از بوزون‌ها می‌توانند سطح انرژی یکسان و حالت کوانتومی یکسانی را هم داشته‌باشند.

اینشتین خیلی زود کارهای Bose را گسترش داد تا نشان دهد که اتم‌های بوزونی در دماهای بسیار کم(دارا بودن حداقل انرژی ممکن) و با اسپین‌های زوج می‌توانند در یک حالت کوانتومی مشترک تلفیق یابند. متودهای لازم برای رسیدن به دمای بسیار کم موردنظر جهت آزمایش پیش‌بینی اینشتین در آن زمان تا دهه ۹۰ قابل دسترس نبود. یکی از دستاوردهای علمی ان زمان تکنیک های بدیع استفاده از سرمایش لیزری بود، به طوری که فشار تابشی اشعه لیزری اتم‌ها را سرد و در جای خود ثابت می‌کرد( برای این کار  Claude Cohen-Tannoudji فیزیکدان فرانسوی و Steven Chu و William D. Phillips فیزیکدانان آمریکایی مشترکا برنده نوبل فیزیک ۱۹۹۷ شدند.) دومین دستاورد علمی براساس پیشرفت‌هایی بود که در زمینه محصورسازی مغناطیسی صورت گرفته بود تا تم‌هارا در جای خود ثابت نگه‌دارند. با استفاده از این تکنیک‌ها Cornell و Wieman توانستند تا ۲۰۰۰ اتم جدا را در یک سوپراتم ادغام کنند. این سوپر اتم به اندازه کافی بزرگ بود که بتوان ان را با میکروسکوپ مشاهده کرد و از خود مشخصات مغناطیسی متفاوتی را بروز می‌داد. wieman دستاورد خود را اینگونه توصیف می‌کرد:

ما تقریبا توانستیم آن را به مقیاس انسانی در بیاوریم. می‌توانستیم به آن سیخونک بزنیم و طوری آن را ببینیم که قبلا کس دیگری به آن شکل ندیده‌بود.

چگالش بوز-اینشتین با دو پدیده مشخص کم‌دما مرتبط است: ابرشارگی که در آن هر یک از ایزوتوپ‌های هلیوم ^۳He و ^۴He مایعی را تشکیل می‌دهند که با اصطکاک صفر جریان می‌یابند؛ و ابرسانایی که در آن الکترون‌ها از میان مواد با مقاومت الکتریکی صفر عبور می‌کنند. اتم‌های ^۴He بوزون هستند و با اینکه اتم‌های ^۳He و الکترون‌ها فرمیون هستند، اگر با همتایانشان که اسپینی مخالف با ان‌ها دارند جفت شوند و یک حالت بوزون‌مانند با اسپین صفر تشکیل بدهند، آن‌ها نیز می‌توانند تحت چگالش بوز قرار بگیرند. در سال ۲۰۰۳ Deborah Jin و همکارانش در JILA توانستند با استفاده از فرمیون‌های جفت‌شده توانستند اولین میعان فرمیونی اتمی را درست کنند.

تحقیقات چگالش بوز-اینشتین علوم جدیدی را در زمینه‌های فیزیک اتمی و بینایی به آن اضافه کرد مانند اتم-لیزر که Ketterle در سال ۱۹۹۶ مطرح کرد. یک لیزر نوری مرسوم اشعه‌ای از فوتون‌های همگرا را نشر می‌کند؛ همگی آن‌ها در یک فازند و می‌توانند بر یک نقطه بسیار کوچک متمرکز شوند. مشابه آن، یک اتم-لیزر می‌تواند دسته‌ای از اتم‌های همگرا را تولید کنند که می‌توانند با شدت بالا متمرکز شوند. کاربردهای احتمالی آن شامل: ساعت‌های اتمی دقیق‌تر، تکنیک‌های پیشرفته‌تر چیپ‌سازی و… .

جذاب‌ترین کاربرد چگالش بوز-اینشتین این است که می‌توانند نور را کند کنند. در سال ۱۹۹۸ Lene Hau از دانشگاه هاروارد وهمکارانش توانستند سرعت نوری را که با سرعت ۳×۱۰^۸ متر در ثانیه از میان یک میعان حاصل از آن چگالش عبور می‌کرد، به حدود ۱۷ متر در ثانیه برسانند. این مورد زمینه‌ای شد تا بر روی ارتباطات مخابراتی، ذخیره‌سازی نوری دیتا و محاسبات کوانتومی کار شود.البته شرایط محیطی لازم برای چگالش بوز-اینشتین کار را سخت کرده‌است.