ساليتون‌هاي برخورد كننده ناشي از چگاليده‌هاي بوز-اينشتين (BECs) مي‌توانند مستقيم از يكديگر عبور كنند و تقريباً بدون تغيير ظاهر شوند. اين نتيجه‌ي آزمايشات پژوهش‌گران چند کشور است. مطالعات آن‌ها بينش جديدي را در چگونگي برهمكنش امواج مادي با يك‌ديگر ايجاد مي‌كند و مي‌تواند منجر به پيشرفت‌هاي بيشتر در تكنيك‌هاي نوين تداخل‌سنجي ماده-موج شود.

ساليتون‌ها بسته‌هاي موجي هستند كه مي‌توانند در فواصل طولاني بدون تجزيه يا نقصان منتشر شوند. آن‌ها در اپتيك بهتر شناخته شده‌اند، اما پاسخ‌هاي ساليتون براي  تعدادی از معادلات موج مختلف وجود دارند. يك مثال مهم، معادله شرودينگر غير خطي يك بعدي است كه مي‌تواند براي نور در فيبر هاي غير خطي، همچنين بي-اي-سي هاي محصور در لوله‌هاي باريك به‌كار رود.

هنگامي‌كه ساليتون‌ها با يكديگر برخورد مي‌كنند، آن‌ها مستقيم از يكديگر عبور مي‌كنند در حالي‌كه شكل، دامنه و سرعتشان را بدون تغيير حفظ مي‌كنند. رندي هالت (Randy Hulet) و همكارانش از دانشگاه رايس در تگزاس همراه با محققاني از سایر کشورها بررسي كرده‌اند كه آيا اين موضوع مي‌تواند در مورد بسته‌هاي موج ماده كه ساليتون‌هاي درخشان در يك بي-اي-سي ناميده مي‌شوند نيز به كار رود.

يك بي-اي-سي شامل اتم‌هاي فوق سردي است كه همگي در حالت كوانتومي يكساني قرار دارند و بنابراين همچون يك شيئ كوانتومي واحد رفتار مي‌كنند. در اين كار اخير، محققان يك بي-اي-سي از اتم‌هاي ليتيوم 7 توليد مي‌كنند و آن را بااستفاده از پتانسيل با تقارن استوانه‌اي به شكل يك لوله باريك در مي‌آورند. سپس اين بي-اي-سي با استفاده از يك باريكه ليزر به دو نيم تقسيم مي‌شود و هر دو نيمه نيز بيشتر دستكاري مي‌شوند تا دو ساليتون تشكيل دهند. هر ساليتون شامل حدود 28000 اتم مي‌شود و  اين جفت با فاصله حدود 26 ميكرومتر از يك‌ديگر جدا شده‌اند.

باريكه ليزري جدا كننده كنار مي‌رود و  دو ساليتون مي‌توانند به سمت يكديگر حركت كنند. هنگامي كه آن‌ها با هم برخورد مي‌كنند، معمولاً مستقيم از يكديگر عبور مي‌كنند قبل از اينكه بدون تغيير در سوي ديگر ظاهر شوند. بنابراين ساليتون‌ها به سمت عقب و جلو در لوله نوسان مي‌كنند و از ميان هم مرتباً عبور مي‌كنند. نه از لحاظ تجربي عملي است و نه از نظر تئوري ممكن كه تعيين كنيم چگونه دو اتم ليتيوم از ميان يكديگر عبور ميكنند. اين به اين دليل است كه تمامي اتم‌ها در يك ساليتون واحد توسط تابع موج يكساني نمايش داده مي‌شوند و  بنابراين در يك برهم‌نهي از تمامي مسيرهاي ممكن در لوله هستند. اين مسيرها شامل عبور از بالاي سر يكديگر، دور زدن هم و يا حتي تونل‌زني از ميان يكديگر مي‌شود.

اينكه دقيقاً هنگام برخورد دو ساليتون چه اتفاقي مي‌افتد به اختلاف فاز ميان دو بسته موج بستگي دارد. براي مثال وقتي دو ساليتوني كه برخورد مي‌كنند كاملاً هم‌فاز باشند به طور سازنده تداخل مي‌كنند و به طور زود گذر انبوه چگال‌تري از اتم‌ها را ايجاد مي‌كنند. به طور معكوس، وقتي دو ساليتوني كه كاملاً غير هم فاز باشند برخورد كنند به طور آني اتم ها نابود مي‌شوند اما پس از آن در طرف ديگر  ِنقطه‌ي برخورد ظاهر مي‌شوند. اختلاف‌هاي فاز به جز اين دو، نتايجي ميان اين دو كران را ايجاد مي‌كنند.

                        ساليتون‌هاي چگالش بوز-اينشتين

در حالي‌كه پژوهش‌گران نمی توانستند فاز نسبي ِ تصادفي ِ جفت ساليتون‌هاي مورد استفاده در آزمايش را اندازه‌گيري كنند، آن‌ها مي‌توانستند به طور وارونه عمل كنند و از مشاهدات برخورد، اثر يك جابجايي فاز خاص را روي برخورد متوجه شوند. ابتدا آن‌ها از مدل‌هاي نظري  استفاده كردند تا آنچه حين برخورد با يك جابه جايي فاز خاص رخ مي‌دهد را شبيه‌سازي كنند. سپس آن‌ها شبيه‌سازي را چندين بار اجرا كردند تا محاسبه كنند توزيع برهم‌كنش‌ها چگونه بايد به نظر برسد اگر كه محاسبات آن‌ها از برهم‌كنش‌هاي ناشي از جابه‌جايي فازهاي خاص صحيح باشد. سپس آن را با توزيع مشاهده شده از اجراهاي مكرر آزمايش مقايسه كردند. نتيجه، توافق جامع خوبي ميان نظریه و آزمايش بود.

با اين حال چيزهاي ناخواسته گاهي  رخ مي‌داد. براي مثال گاهي ساليتون‌ها هنگام برخورد با يكديگر آميخته مي‌شدند و يا به طور كلي متلاشي مي‌شدند. چنين اثراتي كه توسط معادله شرودينگر غير خطي يك بعدي پيش بيني نشده است، به خصوص هنگامي متداول بود كه  دوساليتون در برخورد هم فاز يا تقريباً هم فاز بودند و در نتيجه يك ناحيه با چگالي بالا توليد مي‌كردند. هالت توضيح مي‌دهد كه هر چه دسته اتم‌ها بزرگ‌تر و چگال‌تر باشد، كمتر توسط معادله يك بعدي قابل توصيف است. او مي‌گويد «هنگامي‌كه پيك چگالي بساير بلند است چگالي به حدي مي‌رسد كه معيار يك بعدي بودن را نقض مي‌كند و شروع به شكل گيري فضاي سه بعدي مي‌كند و در اين صورت فروپاشي مي‌كند.» در كار بعدي محققان اميدوارند كه اختلاف فاز ميان دو ساليتون و تعداد ذرات در هر ساليتون را بهتر كنترل كنند و  به اين ترتيب دقيق‌تر تعيين كنند كه كجا تقريب يك بعدي متزلزل مي‌شود.

فلورين شرك (Florian Schreck) از دانشگاه آمستردام، اين كار را به عنوان «يك مثال واضح كتاب درسي كه براي آموزش مفيد است» توصيف مي‌كند. شرك كه در اين آزمايش سهيم نبوده است ، پيشنهاد مي‌كند كه يك كاربرد عملي مي‌تواند تداخل‌سنج ماده- موج باشد چيزي كه توسط هالت و همكارانش نيز پيشنهاد شده است. او مي‌گويد «شايد ساخت يك تداخل‌سنج اتم با استفاده از ساليتون‌ها مفيد باشد، بسته موج‌هايي كه هيچ گاه پراكنده نمي‌شوند.»

اين پژوهش در نيچر فيزيك به چاپ رسيده است.

منبع:

Colliding Bose–Einstein condensates vanish from sight

درباره نویسنده:

تيم وگان  (Tim Wogan) نويسنده علمي در انگلستان است.