روش جدید اندازه‌گیری موقعیت سه‌بعدی یک اتم

فیزیکدانان موفق به ارائه یک روش جدید برای اندازه‌گیری موقعیت سه‌بعدی یک اتم شدند که بر اساس یک اصل فیزیکی مبتکرانه عمل می‌کند.

به گزارش ایسنا، بیش از یک دهه است که فیزیکدانان می‌توانند مکان اتم‌های منفرد را با دقتی کمتر از یک هزارم میلی‌متر با استفاده از نوع خاصی از میکروسکوپ اندازه‌گیری کنند. با این حال، این روش تاکنون فقط مختصات x و y را ارائه کرده است و اطلاعاتی در مورد موقعیت عمودی اتم وجود ندارد.

اکنون روش جدیدی توسعه یافته است که می‌تواند هر سه مختصات فضایی یک اتم را با یک تصویر واحد تعیین کند. نتایج این یافته که توسط دانشگاه بن و دانشگاه بریستول ارائه شده، در مجله Physical Review A منتشر شده است.

برای مشاهده اتم‌های منفرد می‌توان از میکروسکوپ گاز کوانتومی استفاده کرد. این به شما امکان می‌دهد مختصات x و y یک اتم را به طور مستقیم تعیین کنید. با این حال، اندازه‌گیری مختصات z آن، یعنی فاصله تا عدسی شیء، بسیار دشوارتر است: برای اینکه بفهمیم اتم در چه صفحه‌ای قرار دارد، باید چندین عکس گرفته شود که در آن فوکوس در سطوح صفحات مختلف جابجا شود که این یک فرآیند پیچیده و زمان‌بر است.

تانگی لگراند از مؤسسه فیزیک کاربردی (IAP) در دانشگاه بن توضیح می‌دهد: ما اکنون روشی را توسعه داده‌ایم که در آن، این فرآیند می‌تواند در یک مرحله انجام شود. برای دستیابی به این هدف، ما از اثری استفاده می‌کنیم که قبلاً از دهه ۱۹۹۰ در تئوری شناخته شده بود، اما هنوز در میکروسکوپ گاز کوانتومی استفاده نشده بود.

برای آزمایش روی اتم‌ها، ابتدا لازم است آنها را به طور قابل توجهی خنک کرد تا به سختی حرکت کنند. پس از آن، به عنوان مثال می‌توان آنها را در یک موج ایستا از نور لیزر به دام انداخت. آنها سپس به داخل فرورفته‌های موج می‌لغزند، شبیه به نحوه نشستن تخم مرغ‌ها در جعبه تخم مرغ. پس از به دام افتادن، برای نشان دادن موقعیت خود، در معرض تابش یک پرتوی لیزر اضافی قرار می‌گیرند که آنها را تحریک می‌کند تا نور گسیل کنند. فلورسانس حاصل در میکروسکوپ گاز کوانتومی به صورت یک لکه گرد و کمی تار نشان داده می‌شود.

دکتر آندریا آلبرتی توضیح می‌دهد: ما اکنون یک روش ویژه برای تغییر شکل جبهه موج نوری که از اتم گسیل می‌شود، ایجاد کرده‌ایم. به جای لکه‌های گرد معمولی، جبهه موج تغییر شکل یافته یک شکل دمبلی روی دوربین ایجاد می‌کند که به دور خودش می‌چرخد. جهتی که این دمبل در آن قرار می‌گیرد، بستگی به فاصله‌ای دارد که نور باید از اتم تا دوربین طی کند. دکتر Dieter Meschede می‌گوید: بنابراین دمبل مانند سوزن روی قطب‌نما عمل می‌کند و به ما امکان می‌دهد مختصات z را مطابق جهت آن بخوانیم.

به نقل از معاونت علمی ریاست‌جمهوری، روش جدید امکان تعیین دقیق موقعیت یک اتم در سه‌بعدی را با یک تصویر واحد فراهم می‌کند. برای مثال، اگر می‌خواهید آزمایش‌های مکانیک کوانتومی را با اتم‌ها انجام دهید، این مهم است، زیرا اغلب ضروری است که بتوان موقعیت آنها را دقیقاً کنترل یا ردیابی کرد. علاوه بر این، این روش همچنین می‌تواند برای کمک به توسعه مواد کوانتومی جدید با ویژگی‌های خاص مورد استفاده قرار گیرد.

دکتر کری ویدنر از دانشگاه بریستول توضیح می‌دهد: برای مثال، ما می‌توانیم بررسی کنیم که وقتی اتم‌ها در نظم خاصی چیده می‌شوند، کدام اثرات مکانیکی کوانتومی رخ می‌دهد. این مهم به ما این امکان را می‌دهد که تا حدودی خواص مواد سه‌بعدی را بدون نیاز به سنتز آنها شبیه‌سازی کنیم.