نگاه تازه‌ای به دنیای پیچیده فیزیک کوانتومی؛ ثبت نخستین عکس از یک اتم منفرد/ ویدئو
فیزیک‌دانان موفق شدند تصویری بی‌سابقه از یک اتم استرانسیم ثبت کنند؛ نقطه‌ای که نگاه تازه‌ای به دنیای پیچیده فیزیک کوانتومی گشود.
دانشمندان برای نخستین‌بار موفق شدند تصویری از یک اتم منفرد ثبت کنند؛ دستاوردی که می‌تواند مسیر تحقیقات علمی به‌ویژه در فیزیک کوانتومی را متحول سازد.
به گزارش گلس آلمنک، این تصویر که توسط دیوید نادلینگر، فیزیک‌دان دانشگاه آکسفورد، از یک اتم استرانسیم ثبت شده، تحسین جهانی را برانگیخته و جایزه رقابت عکاسی علمی شورای تحقیقات مهندسی و علوم فیزیکی بریتانیا (EPSRC) را نیز از آن خود کرده است.
اتم؛ ذره‌ای بنیادی با ساختاری پیچیده
اتم کوچک‌ترین واحد سازنده ماده در جهان است و از یک هسته مرکزی شامل پروتون‌ها و نوترون‌ها تشکیل شده که الکترون‌ها به‌دور آن در حال گردش‌اند. پروتون دارای بار مثبت، الکترون دارای بار منفی و نوترون بدون بار الکتریکی است. تعداد پروتون‌های هر اتم، عنصر شیمیایی آن را مشخص می‌کند. تاکنون بیش از صد عنصر شیمیایی شناسایی شده‌اند؛ از هیدروژن به‌عنوان ساده‌ترین عنصر تا اوگانسون به‌عنوان پیچیده‌ترین.
این عناصر می‌توانند با یکدیگر ترکیب شده و مولکول‌ها را شکل دهند. درواقع، اتم‌ها پایه و اساس تمام اجسام موجود در جهان، از هوای اطراف ما تا کهکشان‌های دوردست را تشکیل می‌دهند.
با این حال، مطالعه اتم‌ها به دلیل ابعاد بسیار کوچکشان—تنها چند دهم نانومتر (هر نانومتر برابر با یک میلیاردم متر است) —کاری فوق‌العاده دشوار است. فیزیک‌دانان معمولاً برای کنترل و بررسی آنها از میدان‌های الکترومغناطیسی استفاده می‌کنند، اما تا پیش از این، امکان مشاهده مستقیم یک اتم به‌صورت منفرد وجود نداشت و تنها بررسی گروهی آنها ممکن بود.
شاهکاری فناورانه: چگونه این تصویر ثبت شد؟
برای ثبت این تصویر، ابتدا اتم استرانسیم با استفاده از پرتو لیزر تا دمایی بسیار پایین خنک شد و سپس با میدان مغناطیسی در جای خود به‌دام افتاد. دوربینی مخصوص که برای ثبت یون‌های منفرد طراحی شده، با تاباندن پرتو‌های نوری به این اتم، توانست تصویری از آن به‌دست آورد. در این عکس، اتم به‌صورت نقطه‌ای کوچک و درخشان به رنگ آبی بین دو الکترود معلق دیده می‌شود.
تصویر اولیه به‌صورت سیاه‌وسفید ثبت شد و رنگ آبی به‌صورت دیجیتالی برای افزایش وضوح به آن افزوده شده است. همچنین، این عکس مستقیماً هسته اتم را نمایش نمی‌دهد، بلکه آنچه قابل مشاهده است، ابر الکترونی اطراف هسته است. زیرا تنها الکترون‌ها هستند که می‌توانند با نور برهم‌کنش کرده و تصویری مرئی ایجاد کنند.
چرا اتم استرانسیم؟
دلیل انتخاب استرانسیم توسط نادلینگر چند بُعد دارد. نخست آن‌که استرانسیم عنصری نسبتاً رایج در طبیعت است و از این رو گزینه‌ای عملی برای آزمایش‌های فیزیک کوانتومی به شمار می‌رود. از سوی دیگر، این عنصر برای فرایند خنک‌سازی بسیار مناسب است؛ فرایندی حیاتی برای به‌دام انداختن اتم منفرد، چراکه با کاهش سرعت حرکت اتم، امکان نگه‌داشتن آن در موقعیت ثابت فراهم می‌شود.
افزون بر این، استرانسیم دارای چندین ایزوتوپ (گونه‌هایی از یک عنصر که تعداد نوترون‌های متفاوتی دارند) است که این ویژگی به فیزیک‌دانان امکان می‌دهد آزمایش‌های مقایسه‌ای متنوعی برای بررسی ویژگی‌های کوانتومی انجام دهند.
تأثیر این تصویر بر جامعه علمی چیست؟
پس از انتشار این عکس، تحسین گسترده‌ای از سوی جامعه علمی به‌دنبال داشت و نقطه عطفی در پیشرفت فناوری‌های مرتبط با فیزیک کوانتومی محسوب شد. ثبت موفق تصویر یک اتم منفرد، اثباتی بر توانایی دانشمندان در مهار و مشاهده ذرات بنیادین ماده است؛ امری که کاربرد‌های بسیار در حوزه‌هایی مانند رایانش کوانتومی دارد. رایانش کوانتومی، شاخه‌ای نوین از فناوری اطلاعات است که بر پایه اصول مکانیک کوانتومی بنا شده و قادر است محاسباتی بسیار سریع‌تر و پیچیده‌تر از رایانه‌های کلاسیک انجام دهد.
علاوه بر اهمیت علمی، این تصویر از جنبه زیبایی‌شناسی نیز مورد توجه قرار گرفت؛ تصویری که چهره‌ای واقعی به مفاهیم انتزاعی فیزیک کوانتومی بخشیده و توجه عمومی را نیز به خود جلب کرده است. از زمان انتشار این عکس، علاقه به مطالعه و پژوهش در حوزه فیزیک کوانتومی افزایش یافته و مسیر برای دستاورد‌های دقیق‌تر و پیشرفته‌تر هموارتر شده است.
عکس ثبت‌شده توسط دیوید نادلینگر از یک اتم استرانسیم، گامی بزرگ در دنیای فیزیک کوانتومی به‌حساب می‌آید. این دستاورد فنی بی‌سابقه، نشان‌دهنده توانایی دانشمندان در کنترل، خنک‌سازی و مشاهده مستقیم اتم‌های منفرد است؛ توانایی‌ای که می‌تواند مسیر توسعه فناوری‌های نوین، به‌ویژه در زمینه رایانش کوانتومی، را هموار کند.
این تصویر نه‌تنها نمادی از نبوغ علمی بشر است، بلکه اثباتی بر قدرت علم در آشکارسازی آن‌چیزی است که تا پیش از این در قلمرو نامرئی‌ها جای داشت.
شناسایی این عکس توسط EPSRC به‌عنوان یک اثر علمی برجسته، بار دیگر بر اهمیت پژوهش‌های بنیادی و تأثیر آنها بر آینده علم و فناوری تأکید می‌کند. در جهانی که مرز‌های دانش به‌سرعت در حال گسترش‌اند، چنین دستاورد‌هایی امیدبخش چشم‌انداز‌هایی نوین برای شناخت بهتر واقعیت و تحول آینده بشر هستند.
