برخورد چگالیده‌های بوز-اینشتین و ناپدید شدن آن‌ها
سالیتون‌های برخورد کننده ناشی از چگالیده‌های بوز-اینشتین (BECs) می‌توانند مستقیم از یکدیگر عبور کنند و تقریباً بدون تغییر ظاهر شوند. مطالعات پژوهشگران بینش جدیدی را در چگونگی برهمکنش امواج مادی با یکدیگر ایجاد می‌کند و می‌تواند منجر به پیشرفت‌های بیشتر در تکنیک‌های نوین تداخل‌سنجی ماده-موج شود.
سالیتون‌های چگالش بوز-اینشتین
سالیتون‌ها بسته‌های موجی هستند که می‌توانند در فواصل طولانی بدون تجزیه یا نقصان منتشر شوند. آن‌ها در اپتیک بهتر شناخته شده‌اند، اما پاسخ‌های سالیتون برای یک تعداد از معادلات موج مختلف وجود دارند. یک مثال مهم، معادله شرودینگر غیر خطی یک بعدی است که می‌تواند برای نور در فیبر های غیر خطی، همچنین بی-ای-سی های محصور در لوله‌های باریک به‌کار رود.
هنگامی‌که سالیتون‌ها با یکدیگر برخورد می‌کنند، آن‌ها مستقیم از هم عبور می‌کنند در حالی‌که شکل، دامنه و سرعتشان را بدون تغییر حفظ می‌کنند. رندی هالت (Randy Hulet) و همکارانش از دانشگاه رایس در تگزاس همراه با محققانی از سایر دانشگاه ها بررسی کرده‌اند که آیا این می‌تواند در مورد بسته‌های موج ماده که سالیتون‌های درخشان در یک بی-ای-سی نامیده می‌شوند نیز به کار رود.
یک بی-ای-سی شامل اتم‌های فوق سردی می‌شود که همگی در حالت کوانتومی یکسانی قرار دارند و بنابراین همچون یک شئ کوانتومی واحد رفتار می‌کنند. در این کار اخیر، محققان یک بی-ای-سی از اتم‌های لیتیوم 7 تولید می‌کنند و آن را بااستفاده از پتانسیل با تقارن استوانه‌ای به شکل یک لوله باریک در می‌آورند. سپس این بی-ای-سی با استفاده از یک باریکه لیزر به دو نیم تقسیم می‌شود و هر دو نیمه نیز بیشتر دستکاری می‌شوند تا دو سالیتون تشکیل دهند. هر سالیتون شامل حدود 28000 اتم می‌شود و این جفت با فاصله حدود 26 میکرومتر از یکدیگر جدا شده‌اند.
باریکه لیزری جدا کننده کنار می‌رود و دو سالیتون می‌توانند به سمت یکدیگر حرکت کنند. هنگامی که آن‌ها با هم برخورد می‌کنند، معمولاً مستقیم از یکدیگر عبور می‌کنند قبل از اینکه بدون تغییر در سوی دیگر ظاهر شوند. بنابراین سالیتون‌ها به سمت عقب و جلو در لوله نوسان می‌کنند و از میان هم مرتباً عبور می‌کنند. نه از لحاظ تجربی عملی است و نه از دیدگاه نظری ممکن که تعیین کنیم چگونه دو اتم لیتیوم از میان یکدیگر عبور می کنند. این به این دلیل است که تمامی اتم‌ها در یک سالیتون واحد توسط تابع موج یکسانی نمایش داده می‌شوند و بنابراین در یک برهم‌نهی از تمامی مسیرهای ممکن در لوله هستند. این مسیرها شامل عبور از بالای سر یکدیگر، دور زدن هم و یا حتی تونل‌زنی از میان یکدیگر می‌شود.
اینکه دقیقاً هنگام برخورد دو سالیتون چه اتفاقی می‌افتد به اختلاف فاز میان دو بسته موج بستگی دارد. برای مثال وقتی دو سالیتونی که برخورد می‌کنند کاملاً هم‌فاز باشند به طور سازنده تداخل می‌کنند و به طور زود گذر انبوه چگال‌تری از اتم‌ها را ایجاد می‌کنند. به طور معکوس، وقتی دو سالیتونی که کاملاً غیر هم فاز باشند برخورد کنند به طور آنی اتم ها نابود می‌شوند اما پس از آن در طرف دیگر نقطه‌ی برخورد ظاهر می‌شوند. اختلاف‌های فاز به جز این دو، نتایجی میان این دو کران را ایجاد می‌کنند.
در حالی‌که پژوهشگران قادر نبودند فاز نسبی تصادفی جفت سالیتون‌های مورد استفاده در آزمایش را اندازه‌گیری کنند، آن‌ها می‌توانستند به طور وارونه عمل کنند و از مشاهدات برخورد، اثر یک جابجایی فاز خاص را روی برخورد متوجه شوند. ابتدا آن‌ها مدل‌های نظری را استفاده کردند تا آنچه حین برخورد با یک جابه جایی فاز خاص رخ می‌دهد را شبیه‌سازی کنند. سپس آن‌ها شبیه‌سازی را چندین بار اجرا کردند تا محاسبه کنند توزیع برهم‌کنش‌ها چگونه باید به نظر برسد در صورتی‌که محاسبات آن‌ها از برهم‌کنش‌های ناشی از جابه‌جایی فازهای خاص، صحیح باشد. سپس آن را با توزیع مشاهده شده از اجراهای مکرر آزمایش مقایسه کردند. نتیجه، توافق جامع خوبی میان نظریه و آزمایش بود.
با این حال چیزهای ناخواسته گاهی اوقات رخ می‌داد. برای مثال گاهی سالیتون‌ها هنگام برخورد با یکدیگر آمیخته می‌شدند و یا به طور کلی متلاشی می‌شدند. چنین اثراتی که توسط معادله شرودینگر غیر خطی یک بعدی پیش بینی نشده است، به خصوص هنگامی متداول بود که دوسالیتون در برخورد هم فاز یا تقریباً هم فاز بودند و در نتیجه یک ناحیه با چگالی بالا تولید می‌کردند. هالت توضیح می‌دهد که هر چه دسته اتم‌ها بزرگ‌تر و چگال‌تر باشد، کمتر توسط معادله یک بعدی قابل توصیف است. او می‌گوید «هنگامی‌که پیک چگالی بسایر بلند است چگالی به حدی می‌رسد که معیار یک بعدی بودن را نقض می‌کند و شروع به شکل گیری فضای سه بعدی می‌کند و در این صورت فروپاشی می‌کند.» در کار بعدی محققان امیدوارند که اختلاف فاز میان دو سالیتون و تعداد ذرات در هر سالیتون را بهتر کنترل کنند و به این ترتیب دقیق‌تر تعیین کنند که کجا تقریب یک بعدی متزلزل می‌شود.
فلورین شرک (Florian Schreck) از دانشگاه آمستردام، این کار را به عنوان «یک مثال واضح کتاب درسی که برای آموزش مفید است» توصیف می‌کند. شرک که در این آزمایش سهیم نبوده است ، پیشنهاد می‌کند که یک کاربرد عملی می‌تواند تداخل‌سنج ماده- موج باشد چیزی که توسط هالت و همکارانش نیز پیشنهاد شده است. او می‌گوید «شاید ساخت یک تداخل‌سنج اتم با استفاده از سالیتون‌ها مفید باشد، بسته موج‌هایی که هیچ گاه پراکنده نمی‌شوند.»
این پژوهش در نیچر فیزیک به چاپ رسیده است.
psi.ir
|
|
|
|
