با ترکیبِ دو روشِ به تله اندازی، می‌توان مهره‌ی شناور را در نزدیکی نقطه‌ای که اثرات کوانتومی قابل مشاهده است، تقریبا معلق نگه داشت.

محققان به مشاهده‌ی شگفتیِ کوانتومیِ اشیا ماکروسکوپی مانند مهره‌های شیشه‌ای در مقیاس نانو، که با ذراتِ اتمی یا زیراتمی مانوس هستند، علاقه‌مندند. این موضوع همچنین آن‌ها را در آزمودنِ حدودِ فیزیکِ کوانتومی یاری می‌کند. قدمِ اول حذفِ بیشترِ نوساناتِ گرماییِ تصادفیِ چنین ذراتی است. در حال حاضر، تیمی از محققان به این هدف نزدیک شده‌اند. آن‌ها این هدف را توسط روشی که متشکل از بکار‌گیریِ دو تکنولوژی است دنبال می‌کنند : به تله‌اندازیِ ذره‌ی باردار و حفره نوری. در این روش برای جلوگیری از نوسانات نانوکره‌ی جامد، آن را تا دمای 10 درجه بالای صفر مطلق منجمد می‌کنند. محققان بر این باورند که با ایجاد تغییراتی در حفره، می‌توانند از این مقدار هم فراتر رفته و نوساناتِ نانوکره را برای انجامِ آزمایشاتِ مکانیک کوانتومی، کمتر کنند. مانند کاری که اندازه‌گیری‌های بسیار حساسِ مربوط به گرانش انجام می‌دهند.

در زمینه‌‌ی اپتومکانیک، از پرتوی نور برای کاهشِ نوسانِ اجسام با ابعاد میکرو یا نانو، که معمولا در انتهای یک اهرم و یا یک کمکِ انبر- مانند معلق است، استفاده می‌شود. پرتو نور نیرویِ میرایی فراهم می‌کند که دامنه‌ی نوساناتِ مکانیکی را به حالتِ پایه‌ی مکانیک کوانتومی کاهش می‌دهد. جسم به طور پیوسته از طریق دستگاه‌های مکانیکی با محیط اطرافش در ارتباط است و این موضوع مشاهده‌ی اثرات کوانتومی را پیچیده و دشوار می‌کند.

یکی از روش‌های جداسازیِ جسم از محیط اطرافش، شناور نگه‌داشتنِ آن در یک حفره نوری توسط دو آیینه با بازتاب بسیار بالا است. پرتو نور رفت و برگشتی بین دو آیینه، موج ایستاده با نقاط بسیار روشنِ جایگزیده در حفره تولید می‌کند که موجب جذب و به تله‌اندازیِ نانوذرات می‌شود. این عمل مانند مکانیزمی است که در تله‌اندازیِ انبرک نوری به کار می‌رود. در این روش، به محض اینکه جسم در تله افتاد، شروع به نوسان حولِ لکه‌ی روشن می‌کند. اکنون با چالش "سرد کردن" آن مواجه هستیم. در این حالت، درست مانند نوسانگرِ مکانیکی، دامنه‌ی نوسانات کاهش پیدا می‌کند. گروه‌های مختلفی از محققان، سرد کردنِ نانوذره توسط تله‌ی حفره نوری را مورد سنجش قرار داده‌اند اما همواره به‌تله اندازی تحت شرایط خلاء با شکست مواجه می‌شود. پیتر بارکر از دانشگاهِ کالجِ لندن می‌گوید : "هنوز به طور کامل مشخص نیست که چرا ذرات در تله‌ی حفره‌ی نوری ثابت نمی‌مانند."   

بارکر و همکارانش توانسته‌اند بر این مشکل غلبه کنند. آن‌ها روش حفره‌ی نوری را با روش تله‌اندازیِ پاول ترکیب کردند. روش تله‌اندازیِ پاول برای محدود کردنِ حرکتِ یون‌ها و دیگر ذراتِ باردار بکار می‌رود و به ما این امکان را می‌دهد که تله‌اندازی را توسط پرتو لیزر با شدت کمتر انجام دهیم. به این ترتیب می‌توانیم از ناپایداری‌های انرژی گرماییِ داخلیِ نانوذرات که از طریق جذب پرتو‌ ایجاد می‌شود، جلوگیری کنیم. اعضای تیم، دو الکترود استوانه‌ای شکلِ تله‌ی پاول را بصورت عمود بر محورِ مرکزیِ کاواکی به طول 4 سانتی‌متر قرار دادند. سپس کلِ سیستم را در یک محفظه‌ی خلاء می‌گذارند. الکترود‌ها میدان الکتریکی‌ای تولید می‌کنند که در متوسط زمانی مانند کاسه‌ای به عرض 10 میکرو‌متر است و قادر است حرکت ذراتِ باردار را محدود کند. محققان در آزمایش‌های خود از مهره‌های 400 نانومتری سیلیکا (نانوکره) استفاده کردند که بصورت طبیعی دارای مقدار کمی بار الکتریکی است.

بعلت وجودِ نیرو‌های الکتریکی و اپتیکی، حرکتِ نانوکره به محورِ کاواک (حفره) محدود می‌شود. بصورتی که از یک سمتِ کاسه‌ی تله‌ی پاول بسمت دیگر حرکت کرده و بر‌می‌گردد. هر بار که ذره در مسیر رفت و برگشت‌اش، به یکی از نقاطِ روشن برخورد می‌کند، کمی از سرعتش کاسته می‌شود. تا جایی که در نهایت در یکی از این نقاطِ روشن گیر افتاده و به سرعت حولِ مرکزِ لکه‌ی روشن نوسان می‌کند. حرکت ذره تا جایی ادامه پیدا می‌کند که برهم‌کنشِ ذره و حفره آن را متوقف سازد. در برهم‌کنشِ ذره و حفره، نیرو‌های اپتیکی به موقعیتِ قرار گرفتن ذره نسبت به میدانِ نور بستگی دارد. تله‌ی پاول، بازده مکانیزمِ این سیستمِ خنک‌کننده را با دور کردنِ ذره از مرکزِ لکه‌ی روشن و کشیدنِ آن به مکانی که میدانِ نور سریع‌تر با مکان تغییر کند، افزایش می‌دهد.

اعضای تیم نشان دادند که توسط تله‌ی اپتیکی قادر هستند انرژی جنبشیِ نانوکره را 100 مرتبه کاهش دهند. و این معادل است با کاهشِ دمای جسم به مقدارِ 10 درجه‌ی کلوین. آن‌ها بر این باورند که می‌توانند کاهشِ دمایِ موثرِ جسم را تا مقیاس میلی‌کلوین ادامه دهند. این کار با بکار‌گیریِ آیینه‌هایی با قابلیت بازتاب بالا، که بر‌همکنش ذره و حفره را تقویت می‌کند، ممکن خواهد بود. ممکن است در آینده آزمایش‌ها به گونه‌ای طراحی شوند که در آن‌ها چنین مهره‌ای از تله رها شده و بر روی شکاف چند‌گانه‌ای که از پرتو‌های لیزر ساخته شده، بیفتد برای آنکه ببینیم آیا تداخل امواج کوانتومی اتفاق می‌افتد. همچنین می‌توان از مهره‌ها برای درکِ تغییرات کوچک در گرانش یا نیرو‌های دیگر استفاده کرد.

محدوده‌کننده‌ی دوتایی - یک مهره از جنس سیلیکا توسط یک سیستمِ دوکاره، سرد و محبوس شده است. این سیستم از یک تله‌ی ذره‌ی باردار (الکترود‌های سبز و خاکستری) و یک حفره (کاواک) تله‌اندازیِ وابسته به نور (آیینه‌های آبی) تشکیل شده است. در ابتدا، مهره در یک تله‌ی ذره‌ی باردار قرار دارد. سپس پرتوی لیزر وارد حفره شده و طرحِ موج ایستاده را تولید می‌کند. در نهایت مهره بر روی یکی از نقاط روشنِ طرح جایگزیده می‌شود. این همان مکانی است که مهره انرژی‌اش را بعلت اثراتِ میراییِ وابسته به نور از دست می‌دهد.

هلموت ریچ از دانشگاه اینسبروک استرلیا می‌گوید : "این کار در واقع به منزله‌ی نقطه‌ی عطفی در اپتومکانیک و خنک‌کننده‌ی لیزری است." او می‌افزاید، نویسندگان مقاله و اعضای تیم برای اولین بار ثابت کردند که به تله‌اندازی و حفره‌ی خنک‌کننده‌ی اجسامِ مزوسکوپی، در شرایط خلاء بالا ممکن است و فقط به فن‌آوریِ حفره محدود می‌شود. آنجلو باسی از دانشگاه تریست ایتالیا معتقد است که این روش بهبودِ قابل توجهی در روش‌های پیشین بوجود آورده است.

منبع :

http://physics.aps.org/articles/v8/28

مرجع :