داستان امروزمون درباره‌ی یکی از اون اتفاقای عجیب دنیای فیزیک کوانتومه که واقعاً مرز علم رو جابجا کرده! شاید تا حالا شنیده باشین که قانون‌های کوانتومی رو معمولاً فقط توی دنیاهای خیلی کوچولو، مثلاً اتم یا مولکول، میشه دید و اونم وقتی که خیلی سرد باشن. یعنی هرچی شیء بزرگ‌تر بشه و دماش بالاتر بره، خفن‌تر با محیط اطرافش تعامل پیدا می‌کنه و همین، اون ویژگی‌های ظریف کوانتومی رو معمولاً به فنا میده.
ولی یه گروه از دانشمندان اومدن و با یه ترفند باحال نشون دادن که این محدودیت رو میشه حسابی جابجا کرد! اون‌ها تونستن چرخش یه کره شیشه‌ای خیلی کوچولو رو ـ که هنوز هزار بار کوچیک‌تر از یه دونه شن بود! ـ تا ۹۲٪ به حالت خاص کوانتومی برسونن. یعنی ذره رو تقریباً به آروم‌ترین حالتی که کوانتوم اجازه میده، رسوندن و جالب این که در حالی که خود ذره کلی داغ بوده و دماش چندصد درجه بوده!
اینجا یه نکته جالبه: تا قبل از این کار، برای دیدن رفتار کوانتومی باید کل سیستم رو تا نزدیکی صفر مطلق (یعنی همون -273.15 درجه سانتی‌گراد، سردترین دمای ممکن که هر جنبشی واسه ذره متوقف میشه!) منجمد می‌کردن. ولی این گروه بازم تونستن تقریباً رکورد بزنن و سطح خلوص حالت کوانتومی رو به ۹۲٪ برسونن، اونم تو دمای اتاق! (حالت کوانتومی یعنی اون وضعیتی که ذره رفتارش رو طبق قانون‌های عجیب کوانتومی نشون میده.)
حالا نکته باحال‌تر اینه که اون‌ها یه راه میان‌بر هوشمندانه زدن. به‌جای اینکه بیان کل ذره رو سرد کنن که واقعاً خیلی انرژی می‌خواد، اومدن و فقط تمرکز کردن روی یکی از حرکاتش: چرخش یا همون دورانش!
این ذره که یه جور نانوذره (یعنی ذره‌ای در ابعاد میلیاردیم متر) شیشه‌ای بود، شکلش کاملاً گرد نبود، یه کم بیضی‌ای شکل بود. یه کاری کردن که این ذره توی میدون الکترومغناطیسی گیر بیوفته و مثل عقربه قطب‌نما که دور شمال می‌چرخه و لرزش داره، این هم دور یه محور خاصی شروع به لرزش و چرخش کنه.
اینجا با استفاده از ترکیبی از لیزر و آینه و ساختن یه فضای اپتیکی دقیق (تو فیزیک بهش “حفره نوری با بازتاب خیلی بالا” میگن)، دانشمندها کنترل کردن چطور این چرخش انرژی بگیره یا ازش انرژی گرفته بشه. کلاً توی فیزیک کوانتومی، حرکت‌ها به صورت “کوانتا” انجام میشه، یعنی حرکت ذره مثل پلکانیه. به پایین‌ترین حالت انرژی میگن “حالت پایه” یا ground state، بالاتر از اون میشه حالت‌های برانگیخته و الی آخر.
دانشمندها با لیزر و آینه طوری تنظیم کردن که فرآیند گرفتن انرژی از چرخش خیلی راحت‌تر از اضافه کردن انرژی بهش باشه. اینجوری تقریباً کل انرژی حرکتی از ذره خارج شد و فقط یه مقدار خیلی کم (۰٫۰۴ کوانتا) انرژی باقی موند. خلوص کوانتومی هم شد نزدیک به ۹۲٪؛ یعنی تا حالا کسی نتونسته بود اینجوری بدون یخ‌کردن کل شیء به این سطح از خلوص در چرخش برسه.
این موضوع یه دستاورد واقعاً خفن تو علم کوانتومه. چون تا قبلش همه فکر می‌کردن راه نداره جز اینکه کل سیستم رو بفرستن تو یخچال‌های خاص (به اسم “کرایوجنیک”) تا این رفتارهای کوانتومی بزرگ‌ترها رو ببینیم. ولی حالا فهمیدن اگر روی بخش خاصی از حرکت متمرکز بشیم ـ مثلاً فقط چرخش ـ میشه اون قسمت رو با اینکه بقیه شیء هنوز داغه، کاملاً وارد دنیای کوانتوم کرد.
این خیلی هیجان‌انگیزه، چون یعنی شاید راه برای بررسی سیستم‌های خیلی بزرگ‌تر (مثلاً ساختارهای زیستی یا وسایل مهندسی‌شده) بدون نیاز به اون تجهیزات خفن و گران یخ‌زده باز بشه. البته هنوز این کار فقط روی چرخش خاص یه نوع ذره امتحان شده و هنوز فرمول جادویی واسه هر جسم بزرگی نشده. احتمالاً تو پژوهش‌های آینده دانشمندها واسه بقیه انواع حرکت‌ها و ذرات مختلف هم امتحان می‌کنن تا ببینن میشه همین ترفند رو زد یا نه.
راستی، این پژوهش خیلی خفن توی مجله Nature Physics منتشر شده و شاید تا چند سال دیگه شاهد هیجان‌انگیزترین کشفیات جدید از دنیای کوانتوم باشیم!
منبع: +
