دانشمندان اتم‌ها را خم کردند؛ آزمایشی که غیرممکن تصور می‌شد

دانشمندان مرکز هوافضای آلمان (DLR) ثابت کرده‌اند اتم‌ها می‌توانند رفتار موجی‌شکل داشته باشند. چنین آزمایشی پیش‌ازاین غیرممکن تلقی می‌شد اما درهای جدیدی در فیزیک کوانتومی گشوده شده‌اند. در این آزمایش، از اتم‌ها و یک ورق گرافن با ضخامت یک اتم استفاده شد تا پدیده کوانتومی آشنایی بازسازی شود: پراش ذره (Particle diffraction).

این پژوهش می‌تواند راه را برای توسعه فناوری‌های انقلابی، مانند شناساگرهای موج گرانشی بسیار حساس، هموار کند.

البته داستان این کشف از تقریباً یک قرن پیش آغاز شده بود. ۱۹۲۷، «جرج پاجت تامسون» (George Paget Thomson)، فیزیک‌دان انگلیسی، نشان داد وقتی الکترون‌ها از داخل شبکه‌ای کریستالی عبور کنند، الگوی پراشی ایجاد می‌شود. تشکیل الگوی پراشی از مشخصه‌های رفتار موجی‌شکل است.

کشف تامسون نه‌فقط جایزه نوبل فیزیک را برای او به ارمغان آورد، بلکه منجر به پیشرفت‌هایی مانند میکروسکوپ الکترونی شد. یک قرن گذشته، دانشمندان به‌دنبال تکرار این اثر پراشی با اتم‌ها بودند اما روش‌های قدیمی نیازمند شبکه‌هایی خاص با شکاف‌های نسبتاً بزرگ بودند که حساسیت الگوهای پراشی ایجادشده را محدود می‌کردند.

اثبات رفتار موجی‌شکل اتم‌ها

مشکل اساسی این بود که استفاده از شبکه‌ای کریستالی برای اتم‌ها غیرممکن به‌ نظر می‌رسید؛ زیرا اتم‌های پرانرژی لازم برای این آزمایش به کریستال‌ها آسیب می‌زدند. اما دانشمندان DLR این آزمایش غیرممکن را انجام داده‌اند.

آنها اتم‌های پرانرژی هلیم و هیدروژن را به یک صفحه گرافن (یک لایه اتم کربن متصل به هم) هدایت کردند. به‌طرز غافلگیرکننده‌ای، بعد از ۱۰۰ ساعت شلیک اتم، گرافن هیچ آسیبی ندید و الگوی دایره‌ای پراش واضحی ثبت شد. این آزمایش اولین نمایش موفقیت‌آمیز پراش اتمی از شبکه‌ای کریستالی است.

راز این دستاورد در دینامیک انرژی اتم‌ها نهفته است. اتم‌ها از طریق مبادله غیرقابل‌شناسایی انرژی با اتم‌های گرافن، خصوصیات موج کوانتومی خود را حفظ کردند. برای فهم بهتر این پدیده مثالی را درنظر بگیرید. فرض کنید در اتاقی شلوغ یک نفر یکی از درها را بی‌سروصدا بازوبسته می‌کند. هیچ‌کس نمی‌داند کدام‌ در باز‌وبسته شد، پس رفتار موجی‌شکل حفظ می‌شود.

دلالت‌های این آزمایش بسیار عمیق‌اند. دانشمندان می‌توانند از این کشف برای توسعه تداخل‌سنج‌های اتمی با حساسیت بی‌سابقه استفاده کنند. یکی از کاربردهای این تداخل‌سنج‌ها شناسایی امواج گرانشی با دقتی فراتر از ظرفیت رصدخانه‌های امروزی است. دانشمندان درباره کاربردهای بالقوه رفتار موجی‌شکل اتم‌ها و پراش اتمی خوش‌بین هستند. این آزمایش شاید پرچم‌دار جهش بزرگی در پژوهش‌های کوانتومی باشد.

این دستاورد نه‌فقط امکانات مکانیک کوانتوم را از نو تعریف می‌کند، بلکه طبیعت همواره متغیر علم را نیز به رخ می‌کشد. همواره چالش‌های ظاهراً غیرممکن الهام‌بخش نوآوری‌هایی می‌شوند که آینده را شکل می‌دهند.

نتایج مطالعه دانشمندان DLR پیش از داوری در وب‌سایت arXiv در دسترس است.