تا حالا فکر کردی دانشمندا چطوری میتونن یه مولکول رو اینقدر دقیق کنترل کنن که هر لحظه بفهمن تو چه وضعیتی هست؟ اخیراً یه تیم فیزیک از موسسه NIST (یعنی همون National Institute of Standards and Technology که یه مرکز معروف علمی تو آمریکاست) یه کار خیلی عجیب و جذاب انجام دادن: اونا موفق شدن یه یون مولکولی به اسم کلسیم مونوهیدرید رو با احتمال ۹۹.۸ درصد تو حالت دلخواهش قرار بدن و کنترل کنن!
حالا این یون کلسیم مونوهیدرید چیه؟ خیلی ساده بخوام بگم، ترکیب یه اتم کلسیم با یه اتم هیدروژنه که باهم یه یون میسازن و کلی دانش پشتشه!
چرا کنترل مولکولها اینقدر سختتر از کنترل اتمهاست؟ یه اتم رو فرض کن، معمولاً فقط یه سری حالات خاص میتونه بگیره، ولی یه مولکول چون هم جون میده بچرخه (چرخشی)، هم میلرزه (ارتعاشی)، تعداد حالتاش اصلاً کم نیست! همین باعث میشه کنترل کردنشون کلی زور و تکنیک بخواد. همونطور که Dalton Chaffee (سرپرست تیم) گفته: “مولکولها از اتمها خیلی بازیگوشترن!”
حالا بریم سر اصل ماجرا؛ دانشمندا از یه تکنیک بانمک به اسم “اسپکتروسکوپی منطق کوانتومی” استفاده کردن. خب این اسم عجیب غریب یعنی چی؟ اسپکتروسکوپی منطق کوانتومی یعنی یه روش خیلی دقیق برای اندازهگیری حالتهای کوانتومی ذرات، مخصوصاً تو یونها. قبلاً برای ساخت ساعتهای فوق دقیق با یونهای آلومینیوم این روش رو استفاده کرده بودن.
اما این بار یه کاری کردن که توش یه یون کلسیم همیار (Helper) اضافه کردن. این دوتا یون – همیار و مولکولی – به خاطر بار الکتریکی یکسانشون کنار هم نمیمونن و یجورایی همدیگه رو هُل میدن، مثل اینکه بینشون یه فنر فشرده باشه! خب چرا کلسیم یون همیار؟ چون یون کلسیم با لیزر تعامل خوبی داره و ما میتونیم با لیزر حرکتش رو آروم کنیم (یه جور خنکسازی لیزری). خنکسازی لیزری هم یعنی شتاب اتم یا یون رو هی کمتر و کمتر میکنیم و در نتیجه انرژی جنبشیش پایین میاد.
وقتی یون کلسیم رو آروم و خنک میکنن، یون مولکولی هم آروم میشه؛ انگار هر دو تو یه اتاق سرد بمونن و خیلی کم جنب و جوش کنن! این سرما و آرومی لازمه چون اگه محیط گرم باشه، مولکول سریع تغییر حالت میده و کنترلش سخت میشه. اما تو این محیط خنک، مولکول رو میشه ده برابر بیشتر تو یه حالت خاص نگه داشت نسبت به وقتی که هوای معمولیه!
یکی از بخشای جالب ماجرا اینه که دانشمندا با لیزر خاص میتونن حالت چرخشی (Rotational State) مولکول رو عوض کنن، ولی خودشون مستقیماً نمیتونن بفهمن مولکول الان واقعاً چرخید یا نه. اما یون همیار این وسط نقش چشموچراغ رو بازی میکنه! یعنی وقتی مولکول وضعیت چرخشش رو عوض میکنه، یون کلسیم با یه جهش کوانتومی (Quantum Jump) نور میفرسته. دانشمندا این نور رو به شکل یه نقطه نورانی میبینن، بعد که دوباره به حالت قبل برمیگردن، باز یون نور میده. این دو تا چشمک نور یعنی دوتا پرش کوانتومی کامل انجام شده و دقیقاً میشه فهمید چی تو دل این مولکول میگذره.
بخشی از تحقیق بینهایت جالبه چون نشون دادن این مولکول میتونه تا حدود ۱۸ ثانیه تو حالت چرخشیش بمونه! این عدد خیلی بالاست چون تو این بازه زمانی، دانشمندا هزاران بار فرصت دارن با دقت آزمایش کنن و مطمئن شن که واقعاً کنترلشون دقیقه. بعد از این مدت، به خاطر تابش حرارتی (یعنی انرژیای که از محیط اطراف بهش میرسه) مولکول وضعیتش عوض میشه و دیگه یون همیار نور نمیفرسته.
خلاصه اون بازی چشمکزنی، مثل قایمباشک بازی کردن با یون کلسیمه! دانشمندا هزار بار چک کردن و فهمیدن تو ۹۹۹ یا ۹۹۸ بارش دقیقاً همین حالت تکرار میشه؛ یعنی دقیقاً با نرخ ۹۹.۸ درصد موفقیت. این عدد خیلی باورنکردنیه اونم تو کاری به این ظرافت!
چرا این کار مهمه؟ چون با این روش دانشمندا میتونن خیلی از مولکولهای مختلف رو برای کارهای کوانتومی خاص (Quantum Tasks یعنی وظایفی که به کمک ویژگیهای عجیب کوانتومی انجام میشن) بهتر کنترل کنن، حتی شاید واکنشهای شیمیایی رو هم تا حدی به صورت دقیق کنترل کنن. ضمن اینکه این تکنیک میتونه راه رو واسه کشف فیزیک جدید (بالاتر یا فراتر از مدل استاندارد فعلی) باز کنه.
در کل باید بگم مولکولها میتونن ساختمون اصلی کلی فناوری کوانتومی آینده باشن، اما کنترلشون از اتمها خیلی سختتر و البته جذابتره؛ تیم NIST نشون داد اگه خلاقیت به خرج بدی، غیرممکنها هم شدنی میشه!
منبع: +
