في تقرير نُشر مؤخرًا، أعلن فريق مختبر ويل بجامعة كولومبيا عن نجاحه في تجاوز عتبة تكثيف بوز-أينشتاين (BEC) وتكوين مكثف بوز-أينشتاين (BEC) لجزيئات NaCs عند درجة حرارة منخفضة للغاية تبلغ 5 نانو كلفن (5 × 10⁻⁹ كلفن ). وقد تميز المكثف الكمي الجزيئي باستقراره، حيث بلغ عمره حوالي ثانيتين. وبهذا، يُنهي هذا الإنجاز مسيرة بحثية استمرت لعقود في مجال تكثيف بوز-أينشتاين الجزيئي. إنه إنجازٌ بارزٌ وعلامةٌ فارقةٌ في تاريخ العلوم.
من المعروف أن المادة توجد في إحدى ثلاث حالات: صلبة، سائلة، أو غازية، وذلك تبعاً للظروف الخارجية كدرجة الحرارة والضغط. فعلى سبيل المثال، يوجد الماء (H₂O) على شكل جليد، أو ماء، أو بخار في الظروف الخارجية العادية.
عندما تكون درجة الحرارة أعلى من 6000-10,000 كلفن، تتأين المادة وتتحول إلى بلازما، وهي الحالة الرابعة للمادة.
ماذا ستكون حالة المادة إذا كانت درجة الحرارة منخفضة جدًا بالقرب من الصفر المطلق؟
في عامي 1924-25، وضع ساتيندرا ناث بوس وألبرت أينشتاين تنبؤًا نظريًا مفاده أنه إذا تم تبريد جسيمات البوزون (أي الكيانات ذات قيمة اللف المغزلي الصحيحة) إلى درجة حرارة منخفضة للغاية تقترب من الصفر المطلق، فإن هذه الجسيمات ستندمج لتشكل كيانًا واحدًا أكبر حجمًا، يتمتع بخصائص وسلوكيات مشتركة تخضع لقوانين ميكانيكا الكم. وقد عُرفت هذه الحالة باسم مكثف بوز-أينشتاين (BEC)، واعتُقد أنها الحالة الخامسة للمادة.
| حالات المادة | نطاق درجة حرارة الوجود |
| لحام بلازما | فوق 6000-10,000 كلفن |
| غاز | بالنسبة للمياه، فوق 100 درجة مئوية عند الضغط الجوي العادي |
| سائل | للمياه، بين 4 درجات مئوية إلى 100 درجة مئوية |
| سوليد | للمياه، أدناه، 0 درجة مئوية |
| مكثف بوز-آيزنشتاين (BEC) | قرب الصفر المطلق حوالي 400 نانو كلكين للبوزونات الذرية حوالي 5 نانوكلفين للـ BCE الجزيئي {1 نانو كلفن (nK) = 10 -9 كلفن} الصفر المطلق = 0 كلفن = -273 درجة مئوية |
أصبح التنبؤ النظري بمكثف بوز-أينشتاين (BEC)، الحالة الخامسة للمادة، حقيقة واقعة بعد ما يقرب من سبعة عقود، وتحديدًا في عام 1995، عندما ابتكر إريك كورنيل وكارل ويمَن أول مكثف بوز-أينشتاين في غاز من ذرات الروبيديوم، وبعد ذلك بوقت قصير، أنتج فولفغانغ كيترلي مكثفًا مماثلًا في غاز من ذرات الصوديوم. وقد مُنح الثلاثة جائزة نوبل في الفيزياء عام 2001 لإنجازهم في تكثيف بوز-أينشتاين في غازات مخففة من ذرات الفلزات القلوية، ولدراساتهم الأساسية المبكرة لخصائص هذه المكثفات.
الجدول الزمني للتقدم في علم الحالة الخامسة للمادة
| الإنجازات |
| 1924-25: التنبؤ النظري للحالة الخامسة للمادة. قدم ساتيندرا ناث بوز وألبرت أينشتاين تنبؤًا نظريًا بأن مجموعة من جسيمات البوزون المبردة إلى درجة قريبة من الصفر المطلق سوف تتجمع في كيان فائق واحد أكبر له خصائص وسلوكيات مشتركة تمليها قوانين ميكانيكا الكم. |
| 1995: اكتشاف الحالة الخامسة للمادة – إنشاء أول بوز-آينشتاين ذرية. أصبح التنبؤ النظري لبوز وأينشتاين حقيقة بعد 70 عامًا عندما أنشأ إريك كورنيل وكارل وايمان أول بوز-آينشتاين في غاز من ذرات الروبيديوم، وبعد ذلك بوقت قصير، أنتج فولفغانغ كيترلي بوز-آينشتاين في غاز من ذرات الصوديوم. |
| BCES الجزيئية السعي وراء BCEs الجزيئية التي تتطلب تبريدًا فائقًا في النانو كلفن (10-9 كلفن) نطاق |
| 2008: ديبورا جين وجون يي تم تبريد غاز من جزيئات البوتاسيوم والروبيديوم إلى حوالي 350 نانو كلفن. |
| 2023: إيان ستيفنسون وآخرون أنشأ أول غاز فائق البرودة من جزيئات الصوديوم والسيزيوم (Na-Cs) عند درجة حرارة 300 نانو كلفن (nK) باستخدام مزيج من التبريد بالليزر والتلاعب المغناطيسي. |
| 2023: نيكولو بيجاجلي وآخرون استخدم الباحثون أفران الميكروويف لإطالة عمر غاز البوسونيك المكون من جزيئات الصوديوم والسيزيوم من بضعة ملي ثانية إلى أكثر من ثانية واحدة، وهي خطوة أولى حاسمة لتبريدها. ومع العينة التي دامت لفترة أطول، خفضوا درجة الحرارة إلى 36 نانو كلفن، وهي أقل بقليل من درجة الحرارة اللازمة للجزيئات لتكوين BEC. |
| 2024: نيكولو بيجاجلي وآخرون يخلق BEC من البوزونات الجزيئية (جزيئات NaCs) عند درجة حرارة شديدة البرودة تبلغ 5 نانو كلفن (nK) |
منذ الاكتشاف في عام 1995، تقوم المختبرات في جميع أنحاء العالم وفي محطة الفضاء الدولية (ISS) بشكل روتيني بتصنيع بوز-آينشتاين ذرية من أنواع مختلفة من الذرات.
مكثف بوز -أينشتاين الجزيئي (BEC)
الذرات بسيطة، نوع من الكيانات المستديرة بدون تفاعلات قطبية. ومن ثم، فقد فكر الباحثون دائمًا في تكوين مكثف بوز-آينشتاين (BEC) من الجزيئات. لكن إنشاء BECs حتى من جزيئات بسيطة مصنوعة من ذرتين من عناصر مختلفة لم يكن ممكنًا بسبب نقص التكنولوجيا اللازمة لتبريد الجزيئات إلى عدد قليل من النانو كلفن (nK) اللازم لتكوين BEC الجزيئي.
لقد عمل الباحثون في مختبر ويل بجامعة كولومبيا باستمرار على تطوير تكنولوجيا فائقة البرودة. وفي عام 2008، تمكنوا من تبريد غاز من جزيئات البوتاسيوم والروبيديوم إلى حوالي 350 نانو كلفن. لقد ساعد في إجراء عمليات المحاكاة الكمومية وفي دراسة التصادمات الجزيئية وكيمياء الكم ولكنه لم يتمكن من تجاوز عتبة BEC. في العام الماضي 2023، استخدموا الموجات الدقيقة لإطالة عمر غاز البوسونيك المكون من جزيئات الصوديوم والسيزيوم، وتمكنوا من تحقيق درجة حرارة أقل تبلغ 36 نانو كلفن والتي كانت أقرب إلى عتبة BEC.
في تقرير نُشر مؤخرًا، أعلن فريق مختبر ويل بجامعة كولومبيا عن نجاحه في تجاوز عتبة تكثيف بوز-أينشتاين (BEC) وتكوين مكثف بوز-أينشتاين (BEC) لجزيئات NaCs عند درجة حرارة منخفضة للغاية تبلغ 5 نانو كلفن (5 × 10⁻⁹ كلفن ). وقد تميز المكثف الكمي الجزيئي باستقراره، حيث بلغ عمره حوالي ثانيتين. وبهذا، يُنهي هذا الإنجاز مسيرة بحثية استمرت لعقود في مجال تكثيف بوز-أينشتاين الجزيئي. إنه إنجازٌ بارزٌ وعلامةٌ فارقةٌ في تاريخ العلوم.
إن إنشاء مكثفات بوز-آينشتاين الجزيئية (BES) سيكون له أهمية طويلة المدى للبحث في فيزياء الكم الأساسية، والمحاكاة الكمومية، والميوعة الفائقة والموصلية الفائقة وابتكار تقنيات جديدة مثل نوع جديد من الكمبيوتر الكمي.
***
المراجع:
- Bigagli، N.، Yuan، W.، Zhang، S. et al. ملاحظة تكثيف بوز-آينشتاين للجزيئات ثنائية القطب. الطبيعة (2024). 03 يونيو 2024. معرف الهوية الرقمي: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07492-z نسخة ما قبل الطباعة في arXiv https://arxiv.org/pdf/2312.10965
- جامعة كولومبيا 2024. أخبار الأبحاث – أبرد مختبر في نيويورك لديه عرض كمي جديد. تم النشر بتاريخ 03 يونيو 2024. متاح على https://news.columbia.edu/news/coldest-lab-new-york-has-new-quantum-offering
- الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم. معلومات متقدمة عن جائزة نوبل في الفيزياء 2001 – تكثيف بوز-آينشتاين في الغازات القلوية. متواجد في https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/advanced-physicsprize2001-1.pdf
- ناسا. الحالة الخامسة للمادة. متواجد في https://science.nasa.gov/biological-physical/stories/the-fifth-state-of-matter/
***
 of NaCs molecules at a ultracold temperature of 5 nanoKelvin (= 5 X 10-9 Kelvin). The molecular quantum condensate was stable with a lifespan of about 2 seconds. This ends several decades long pursuit of molecular BEC. This is a remarkable achievement and a milestone in science.){kind=link}