ماذا تعرف عن تكاثف بوز اينشتاين

تكاثف بوز – اينشتاين في الفضاء

تكاثف بوز – اينشتاين في الفضاء

بقلم : انجي سيد عبد العواض

مراجعة علمية : مجدي عياد

(تظهر ذرات الروبيديوم فائقة النقاء في الجاذبية الصغرى سلوكيات متوقعة وغير متوقعة )

لعلك سمعت عن الأربع حالات للمادة : صلبة، وسائل، غازية، وبلازما

لكن هناك حالة خامسة شديدة البرودة وهي تكاثف بوز-آينشتاين وهي حالة من المادة تشبه الحالتين الصلبة والسائلة لكن بخواص مختلفة في ظروف متطرفة غير مألوفة لمشاهدتنا اليومية.

يمكن استخدام الذرات المبردة لدرجات حرارة  نانوكلفينية (تقارب إلى الصفر المطلق) فتفقد هويتها الفردية وتتجمع في حالة كمومية واحدة لاختبار الظواهر الكمومية وإجراء قياسات دقيقة للثوابت الفيزيائية الاساسية

يتم احتجاز الذرات اولاً في مصائد مغناطيسية ضوئية (باستخدام الليزر) ثم في مصائد مغناطيسية ضيقة أثناء خضوعها لخطوات التبريد المتعددة اللازمة للوصول إلى درجات الحرارة المنخفضة  المطلوبة.

التجارب التي تم اجراؤها على الغازات ذات البرودة الفائقة محدودة بسبب الجاذبية

تتضمن مرحلة التبريد النهائية إضعاف قوة الاصطياد (المجال المغناطيسي ), ولكن إذا اصبحت ضعيفة جداً , تسحب الجاذبية الذرات للخارج .

يمتلك الباحثون ايضاً عشرات المللي ثانية فقط لإجراء دراسات على سحب الذرات (التي تسير بلا احتكاك أو مقاومة) المتوسعة بحرية لأنه بدون مصيدة (المجال المغناطيسي ) تسقط الذرات بسبب الجاذبية الارضية .

قام الباحثون بتقليل تأثيرات الجاذبية إلى أدنى حد من خلال إجراء تجارب الذرات الباردة في السقوط الحر الناتج عن ]على سبيل المثال [ الابراج المتساقطة و الطائرات ذات الجاذبية المنعدمة. 

لكن تلك التجارب لم تدم طويلاً ولم تتكرر كثيراً

لتمكين تجارب الذرة الباردة- طويلة الامد والمسيطر عليها جيداً- في الجاذبية الصغرى (حالة من انعدام أو انخفاض الجاذبية الأرضية لدرجة كبيرة في ظروف معينة حتى تكون مناسبة للبريد وإجراء التجربة) , قامت وكالة ناسا بإرسال مختبر الذرة الباردة CAL الموضح في الشكل إلى محطة الفضاء الدولية في عام 2018 (حيث انعدام الجاذبية يسمح استمرار الذرات فترة اطول لدراستها ) .

يتم تشغيل مختبر الذرة الباردة عن بعد من مختبر الدفع النفاث التابع لوكالة ناسا الفضائية , حيث أنتج ديفيد افلين وزملاؤه الآن مكثفات الروبيديوم ( لبوز –واينشتاين) في المدار.

تظهر قياساتهم نجاح تشغيل المعدات وتوضح فوائد الجاذبية الصغرى

بدون الجاذبية الارضية , لوصلت ذرات الروبيديوم الى درجات الحرارة المنخفضة بمجرد إطلاقها ,ولاستمرت في منطقة جهاز المراقبة لأكثر من ثانية.

مقارنتاً بإختبار معمل الذرة الباردة CAL قبل الإطلاق فقد استمرت السحابة حوالي 40 مللي ثانية فقط.

لاحظ الباحثون أيضاً اختلافاً غير متوقع  : فقد احتوت السحابة على ما يقرب من ثلاث أضعاف عدد ذرات الروبيديوم كما فعلت عنما تم اختبار معمل الذرة الباردة CAL قبل الإطلاق , وكان ما يقرب من نصف هذه الذرات في حالة تستجيب بالكاد للمجالات المغناطيسية .

على الارض كانت الجاذبية  ستسحب هذه الجسيمات من المصيدة (المجال المغناطيسي ) اثناء التبريد .

ولكن في الفضاء ,احتجزتهم المصيدة في مدار ضعيف حول المكثف الاكثر كثافة .

إن عدم حساسية الذرات المحصورة حديثاً للمجالات المغناطيسية قد يجعلها مناسبة تماماً للتحليل الطيفي عالي الدقة

ويهدف أحد مجالات البحث في الذرات الباردة CAL إلى التقدم .

ويتنبأ الباحثون أيضا أن هذه الذرات سيكون لها شكل كثافة مسطح فريد عندما تكون محصورة في مصيدة ثلاثية الابعاد , مما يجعلها مفيدة لدراسة مراحل المادة الكمومية في ظل ظروف متجانسة

توسع التجارب نطاق خطط مجموعة الابحاث التي تهتم بدراسة مختبر الذرة الباردة CAL , ويجرى بالفعل بحث هندسة المصائد الجديدة التي تسمح بها الجاذبية الصغرى , مثل قذائف الفقاعة , وكذلك تقنيات التبريد المتقدمة لقياس التدخل الذري الدقيق .

تشمل التجارب المخطط لها أيضاً دراسة مخاليط الغاز الكمي والتحقق من أنظمة الكثافة ودرجات الحرارة التي لم يتم اختبارها بعد .

بيانات توزع السرعة لغاز من ذرات الربيديوم، تؤكد اكتشاف طور جديد للمادة، كثافة بوز-آينشتاين، إلى اليسار: قبيل ظهور كثافة بوز-آينشتاين مباشرة، في الوسط: بعد ظهور الكثافة مباشرة، إلى اليمين: بعد المزيد من التبخر، يدع عينة كثافة شبه صافية.

قامت رائدة الفضاء كريستينا كوش بتثبيت أجهزة الترقية في المختبر (معمل ذري بارد ) في يناير 2020

تصديق : وكالة الفضاء الامريكية ناسا