شرح خبر

دانشمندان آمریکایی با استفاده از یک ساعت اتمی-اپتیکی به مطالعه اثرات جفتیدگی اسپین-مدار پرداخته‌اند. جفت شدگی اسپین-مدار در فهم چگونگی رفتار الکترون‌ها در سیستم‌های ماده چگال نقش اساسی بازی می‌کند و از آن می‌توان در طراحی مواد جدید، مانند عایق‌های توپولوژی و ابررساناها استفاده کرد.

این محققان بدنبال گزینه‌هایی هستند که درآن‌ها بتوانند این طراحی از ساعت اتمی را با سایر پدیده‌های بنیادی در سیستم‌های ماده چگال تطبیق دهند. این پژوهش مثال دیگری است از این‌که چگونه فیزیکدان‌ها از طریق تنظیم برهمکنش‌‌های اتمی در بین اتم‌های فوق سرد شده، موفق به الگو برداری رفتار الکترون‌های جامدات هستند.

جفتیدگی اسپین-مدار حرکت یک ذره را به اسپین کوانتومی‌اش ربط می‌دهد. به عنوان مثال، یک الکترون دو حالت اسپینی ممکن دارد: بالا یا پایین. جفت شدگی اسپین-مدار به معنای این است که الکترون‌های مشابه با اسپین‌های متفاوت مسیرهای متفاوتی را در یک میدان الکترومغناطیسی دنبال می‌کنند. نتیجه جفت شدگی اسپین-مدار به خصوص در مواد جامد اهمیت دارد، چرا که الکترون‌های ماده تحت تاثیر یک میدان الکترومغناطیسی ناشی از شبکه کریسیتالی حرکت می‌کنند. اگرچه، مطالعه مستقیم جفت شدگی اسپین-مدار در مواد مشکل است چرا که محققان توانایی حفظ دقیق ساختار کریستالی ذاتی یک ماده را در طول یک آزمایش ندارند.

اتم‌های استرانسیم در یک ساعت اتمی

قابلیت فراوان

اکنون، Jun Ye و همکاران در JILA، NIST و دانشگاه کولورادو، بولدر، رفتار الکترون‌های یک ماده را با استفاده از مولفه‌های داخلی یک ساعت اتمی شبیه سازی کرده‌اند. ساعت آنها از هزاران اتم استرانسیم تشکیل شده است که از طریق لیزر تا دماهای نزدیک صفر مطلق سرد شده‌اند و در یک شبکه اپتیکی متشکل از باریکه‌های لیزری متقاطع با هم به دام افتاده‌اند. این باریکه‌ها تشکیل یک شبکه‌ای از چاه‌های پتانسیل را می‌دهند که اتم‌های استرانسیم در آنها به دام افتاده اند. در نهایت این اتمها درون نور مرئی متناظر با یک گذار اتمی استرانسیم غوطه ور می‌شوند.

این اتم‌های استرانسیم برانگیخته شده تابش مرئی از خودشان گسیل می‌کنند، و درواقع بسامد این تابش زیربنای یک ساعت اتمی بسیار دقیقی را تشکیل می‌دهد. به بیانی دیگر، این تیم ساعت‌های استرانسیمی را توسعه داده‌اند که دقت آنها از مرتبه یک ثانیه در بیشتر از 15 بیلیون سال است.!

اما به جای استفاده از این ساعت جهت زمان سنجی، این محققان به مهندسی چاه‌های پتانسیل پرداختند و به اتم‌های استرانسیم اجازه حرکت در سرتاسر شبکه نوری را دادند. به گفته : Ye"در حالتی که عمق چاه‌ها کم باشد، اتم‌ها توانایی تونل زنی پیدا می‌کنند". یکی دیگر از مزیت‌های ساعت‌های اتمی، باقی ماندن آن‌ها در حالت‌های برانگیخته‌شان برای مدت زمان نسبتاً طولانی است، با این رفتار محققان قادر به مشاهده آنها برای مدت زمان‌های طولانی تری هستند.

این تیم مشاهده کردند که اتم‌های استرانسیم برانگیخته شده به سطوح انرژی بالایی، متفاوت از نمونه‌های غیربرانیگخته حرکت می‌کنند. حرکت اتم‌های برانگیخته شده ونشده در شبکه، مشابه حالتی است که الکترون‌های با اسپین بالا و پایین در ساختار کریستالی حرکت می‌کنند. به بیان Ye "به لحاظ ریاضیاتی، ابزارهای مورد استفاده برای توصیف دو سطح انرژی (اتمی)، کاملاً معادل با ابزارهای لازم جهت توصیف دو حالت اسپینی است."

معادل ریاضیاتی

در زمانی که فیزیک‌دانان جفتشدگی واقعی اسپین-مدار را مشاهده نکردند، در واقع قادر به مطالعه پدیده همتای ریاضی آن بوده‌اند، که در آن حالت انرژی اتم به روی حرکتش تاثیر می‌گذارد، درست به همان صورتی که اسپین تاثیر می‌گذارد. آزمایش‌های مبتنی بر اتم های فوق سرد زمینه خوبی را جهت آزمایش‌های ماده چگال فراهم می‌کنند چرا که به کمک لیزرها می‌توان اتم‌ها را با دقت کنترل نمود، به روش‌هایی که الکترون‌های درون ماده را نمی توان!

Tilman Esslinger فیزیکدانی از ETH زوریخ است که در این پژوهش سهمی نداشته است ولی نتایج این کار را "قطعاً شگفت انگیز" توصیف کرده است. کار Ye و همکارانش اولین نگاه به کلاس جدیدی از آزمایش‌هاست که در آن دقت تکنولوژی ساعت نوری با شبکه اپتیکی ترکیب شده است. ساعت‌های این تیم اتم‌ها را در یک شبکه اپتیکی یک بعدی مرتب می‌کند.

در تحقیق آتی، محققان در حال توسعه یک ساعت شبکه‌ای سه بعدی هستند به طوری که بتوانند از آن جهت جفت شدگی اسپین-مدار و سایر پدیده‌های فیزیکی در ابعاد چندگانه استفاده کنند. به گفته Ye "این پژوهش می‌تواند جهت بسط و توسعه الکترونیکی استفاده شود که مبتنی بر اسپین کوانتومی یا "اسپینترونیک" است."


این نتیجه در مجله نیچر نمایه شده است.


منبع :

Optical clock mimics spin–orbit coupling
















 




نویسنده خبر: امیرحسین طالبی
کد خبر :‌ 2175

آمار بازدید: ۷۵۵
همرسانی این خبر را با دوستان‌تان به اشتراک بگذارید:
«استفاده از اخبار انجمن فیزیک ایران و انتشار آنها، به شرط
ارجاع دقیق و مناسب به خبرنامه‌ی انجمن بلا مانع است.»‌


صفحه انجمن فیزیک ایران را دنبال کنید




حامیان انجمن فیزیک ایران   (به حامیان انجمن بپیوندید)
  • پژوهشگاه دانش‌های بنیادی
  • دانشگاه صنعتی شریف
  • دانشکده فیزیک دانشگاه تهران

کلیه حقوق مربوط به محتویات این سایت محفوظ و متعلق به انجمن فیریک ایران می‌باشد.
Server: Iran (45.82.138.40)

www.irandg.com