على مستوى الذرات.. علماء يطورون أصغر “شريط قياس” في العالم

تمكن فريق من علماء الفيزياء بجامعة فيرمونت بالولايات المتحدة من تطوير ما يمكن اعتباره أصغر شريط قياس في العالم على مستوى الذرات، إذ تمكنوا من قياس موقع الذرات بدقة غير مسبوقة، مما يفتح آفاقا جديدة في الفيزياء التطبيقية والتكنولوجيا الحديثة.

قاد هذا الإنجاز البروفيسور “دينيس كلوغيرتي” وطالبه “نام دينه”، حيث استخدما تقنيات رياضية متقدمة لإعادة صياغة نموذج قديم يعود للفيزيائي البريطاني “هوراس لامب” عام 1900، لوصف اهتزازات الذرات على المستوى الكمومي بطريقة دقيقة جدا، وهو ما نشر في مجلة “فيزيكال ريفيو ريسيرش” أخيرا.

وفي العالم المألوف، فإن اهتزاز أجسام مثل وتر الجيتار أو الأرجوحة الفارغة يمثل ما يسميه الفيزيائيون “المذبذبات التوافقية المخمَّدة”، حيث تفقد الأجسام طاقتها تدريجيا، لكن على مستوى الذرات، تسود قوانين ميكانيكا الكم الغامضة، ويصبح وصف الاهتزازات أكثر صعوبة، خاصةً مع مبدأ “هايزنبرغ لعدم اليقين”، الذي يمنع قياس موقع وسرعة الجسيم بدقة مطلقة في الوقت نفسه.

تجاوز التحدي

وعلى مدى نحو 90 عاما حاول الفيزيائيون حل هذه المعضلة دون نجاح، لأن وصف اهتزاز ذرة مع الحفاظ على مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ كان مهمة شبه مستحيلة، فكلما عرفنا موقع الجسيم بدقة، أصبح قياس سرعته أكثر غموضا، والعكس صحيح.

لتجاوز هذا التحدي، استخدم فريق جامعة فيرمونت أداة رياضية تسمى “تحويل بوجوليوبوف متعدد الأنماط”، والتي سمحت لهم بفك تعقيد تفاعل الذرة مع الذرات المحيطة بها، والنتيجة كانت حالة كمية جديدة أطلقوا عليها اسم “الفراغ المضغوط متعدد الأنماط”، والتي تقلل الضوضاء الكمومية في موقع الذرة مقابل زيادة الضوضاء في سرعتها، مما يسمح بقياسات دقيقة تتجاوز الحدود التقليدية لمبدأ هايزنبرغ.

لتوضيح الفكرة ببساطة، تخيل شعاع ضوء صغير في غرفة مظلمة، بحيث إذا ركزت على تحديد مكانه بدقة، يصعب معرفة اتجاه حركته، وإذا ركزت على الحركة، يصبح الموقع غير محدد، وما فعله الباحثون يشبه وضع عدسة خاصة تقلل الغموض في الموقع المهم، فتصبح القدرة على تحديد مكان الشعاع، أو موقع الذرة، دقيقة جدا.

ويقول البروفيسور كلوغيرتي في بيان نشره موقع جامعة فيرمونت: “بتقليل غموض موقع الذرة، يمكننا قياسه بدقة لم يكن من الممكن الوصول إليها سابقا، مما يفتح آفاقًا جديدة للتكنولوجيا الحديثة والفيزياء التطبيقية”.

وهذا الإنجاز يمهد الطريق لأجهزة قياس مسافات كمومية فائقة الدقة، أشبه بأصغر شريط قياس في العالم، وحساسات دقيقة جدا للاستخدام في الطب، الإلكترونيات، استكشاف الفضاء، والساعات الذرية وأدوات الملاحة الكمومية. كما يمثل امتدادا للطرق التي ساهمت في ابتكار أول كواشف ناجحة لموجات الجاذبية، والتي فازت بجائزة نوبل عام 2017.