چگونگي دستيابي به دماهاي بسيار پايين و نحوه اندازه گيري آن
پيش از صحبت در مورد پايين ترين دمايي كه به آن دست يافته و اندازه گرفته ايم، لازم است معناي علمي دما را تشريح كنيم. دما ميزاني از محتواي انرژي ماده است. هنگامي كه هوا گرم است، مولكول ها سريع حركت كرده و انرژي جنبشي بالايي دارند. هر چه مولكول ها سردتر باشند، سرعت آنها نيز كمتر است و در نتيجه انرژي كمتري دارند. اندازه گيري دما روش آساني براي مشخص كردن انرژي سيستم است.
دما را مي توان با واحدهاي مختلفي اندازه گرفت. معمولاً براي اندازه گيري دما در زندگي روزمره از واحدهاي سلسيوس و فار نهايت استفاده مي كنيم. صفر مقياس دما بايد متناظر با سرعت صفر ذرات گاز و در نتيجه انرژي صفر اين ذرات باشد، اما دو واحد دماي نامبرده فاقد اين خاصيت طبيعي هستند. بنابراين مقياس دماي طبيعي، دماي مطلق است كه برحسب دماي كلوين اندازه گيري مي شود. صفر كلوين پايين ترين دماي ممكن است. در صفر مطلق تمام حركت ها متوقف مي شود. بديهي است دستيابي به دماي پايين تر از صفر مطلق امكان پذير نيست، زيرا سرعتي كمتر از صفر و انرژي كمتر از هيچ، وجود ندارد. (البته به خاطر داشته باشيد كه در اينجا منظور از انرژي، فقط انرژي هايي است كه مي توان از ذرات گرفت و شامل مقدار انرژي باقي مانده يا انرژي نقطه صفر مكانيك كوانتومي كه در مورد بعضي از ذرات از آنها صحبت مي شود، نيست.)
صفر مطلق متناظر با 273 _ درجه سلسيوس و 460 _ درجه فار نهايت است. براي سرد كردن يك جسم لازم است انرژي موجود در جسم را استخراج كرده و آن را به جايي ديگر منتقل كنيم. براي مثال در يخچال هاي خانگي، مبدل گرمايي موجود در پشت يخچال گرم مي شود، زيرا انرژي استخراج شده از اجسام موجود در درون يخچال به اين قسمت منتقل مي شود. (علاوه بر گرمايي كه از اجسام موجود در درون يخچال به اين قسمت منتقل مي شود، مقداري گرما نيز به دليل كار كردن خود يخچال توليد مي شود.)
در دهه 1980 و 1990 روش هاي جديدي براي سرد كردن اتم هاي گازي ابداع شد: سرد كردن ليزري و سرد كردن تبخيري. با تلفيق اين دو روش، دسترسي به دماهاي پايين تر از يك نانو كلوين (يك ميلياردم درجه كلوين) ممكن شده است. پايين ترين دمايي كه تاكنون به آن دست يافته اند، دماي 4?0 پيكوكلوين است و تقريباً شش برابر كمتر از ركورد قبلي دما است. گروه ما توانسته است به اين ركورد دما دست يابد كه گزارشي از آن در شماره 12 سپتامبر 2003 مجله ساينس به چاپ رسيده است. در سال هاي اخير نيز دو جايزه نوبل براي توسعه اين روش ها اهدا شد (سال هاي 1997 و 2001) در سردسازي ليزري، اتم ها نور ليزر را پراكنده مي كنند. هر فوتون ليرز كه با ماده برخورد مي كند، جذب آن شده و مجدداً در جهت ديگري منتشر مي شود. به طور متوسط، رنگ فوتون پراكنده شده نسبت به نور ليزر اوليه كمي به سمت آبي جابه جا مي شود و اين يعني فوتون پراكنده شده انرژي بيشتري نسبت به فوتون جذب شده دارد.
از آنجايي كه انرژي كل پايسته است، اختلاف در انرژي فوتون از حركت هاي اتمي اخذ شده است و اين يعني حركت اتم ها كند شده است. تغيير در طول موج اين تابش ها به دليل اثر داپلر (كه اين جابه جايي متناسب با سرعت هاي اتمي است) يا به دليل جابه جايي استارك (كه به واسطه ميدان الكتريكي پرتوهاي ليزر است) روي مي دهد و بدين ترتيب مي توان تفسيري از چگونگي كاهش انرژي اتم ها ارائه داد.
تفسير ديگر، بر چگونگي انتقال اندازه حركت (momentum) به اتم ها تأكيد دارد. اگر اتم ها در معرض چندين پرتو ليزر با مقدار قطبيت و بسامد مشخص قرار گيرند، عمدتاً فوتون هايي را جذب مي كنند كه از طرف نيم كره جلويي مي رسد. در اين حالت زاويه اي اندازه حركت زاويه اي فوتون و سرعت اتم ها با يكديگر مي سازند بيشتر از 90 درجه است. اندازه حركت فوتون مولفه اي دارد كه مخالف جهت حركت اتم است و در نتيجه اندازه حركت فوتون جذب شده از سرعت اتم مي كاهد. در مرحله بعدي نشر فوتون باز زاويه هاي مختلف روي مي دهد و در نتيجه از متوسط چرخه هاي متعدد جذب و نشر فوتون، تغييري در اندازه حركت به دليل نشر فوتون روي نمي دهد. مرحله اساسي ايجاد شرايطي است. كه اتم ها فوتون ها را عمدتاً از جهت جلو دريافت كنند، كه اين كار با استفاده از جابه جايي داپلر امكان پذير است. وقتي كه زاويه بين اندازه حركت فوتون و سرعت اتمي بيش از 90 درجه باشد، اتم و نور در خلاف جهت يكديگر در حال حركتند و جابه جايي داپلر منجر به افزايش بسامد مي شود.
وقتي كه نور ليزر براي تشديد اتمي در حالت قرمز تنظيم شده باشد، جابه جايي داپلر موجب افزايش تشديد و جذب اتمي مي شود. براي نورهايي كه از جهت عقب مي آيند و زاويه بين اندازه حركت فوتون و سرعت اتمي كمتر از 90 درجه است، جابه جايي معكوس روي مي دهد و نور را از تشديد اتمي دورتر كرده و در نتيجه جذب كمتري روي مي دهد. وقتي كه ابراتمي متراكم تر و سردتر شد، فرآيندهاي سردسازي كه در بالا تشريح شد، بر فرآيندهايي كه موجب گرم شدن مي شود، غلبه مي كند. از فرآيندهايي كه موجب گرم شدن مي شود مي توان به آزادسازي انرژي در اثر برخورد اتم ها و عقب نشيني اتفاقي در اثر پراكندگي اشاره كرد، هر چند كه مقدار متوسط اين حركت ها صفر است اما باز هم موجب حركت هاي ارتعاشي خفيفي در اتم ها مي شود و در نتيجه دسترسي به پايين ترين دما را محدود مي سازد. با اين همه، اكنون اتم ها آنقدر سرد هستند كه بتوان آنها را توسط ميدان مغناطيسي محدود كرد. در اين حالت اتم هايي انتخاب مي شود كه الكترون فرد و در نتيجه گشتاور مغناطيسي دارند.
در نتيجه اين اتم ها همانند يك ميله مغناطيسي كوچك عمل مي كنند. ميدان مغناطيسي خارج بر آنها نيرو وارد مي كند، اين نيرو با گرايش مقابله كرده و آنها را در فضا شناور نگه داشته و باعث مي شود كه در كنار يكديگر بمانند، به عبارت ديگر اتم ها در يك قفس مغناطيسي كه ديوارهاي نامريي از جنس ميدان هاي مغناطيسي دارد، گرفتار شده اند. براي سردسازي بيشتر از فرآيند سردسازي تبخيري استفاده مي شود. اين فرآيند با حذف اتم هاي پرانرژي از سيستم صورت مي گيرد. همين فرآيند باعث سرد شدن فنجان قهوه مي شود، وقتي كه اكثر مولكول هاي پرانرژي به شكل بخار از فنجان خارج مي شوند، متوسط انرژي و متعاقب آن دماي مولكول هاي باقي مانده كاهش مي يابد.
در يك تله مغناطيسي، اغلب اتم هاي پرانرژي از سد كشش نيروي مغناطيسي گريخته و به فاصله هاي دورتري بروند، در نتيجه اين اتم ها مي توانند به مناطق با ميدان مغناطيسي بالاتري نسبت به اتم هاي سردتر منتقل شوند.
در اين ميدان هاي مغناطيسي قوي، اتم ها با امواج راديويي يا ميكرو ويو تشديد حاصل مي كنند، كه باعث تغيير گشتاور مغناطيسي شده و در نتيجه اتم ها پرواز كرده و از تله مغناطيسي مي گريزند. يك انيميشن عالي از فرآيند سرد شدن را مي توانيد با مراجعه به نشاني زير بيابيد.
اما چگونه مي توان دماي بسيار پايين اتم ها را اندازه گرفت؟ يك روش ساده اين است كه به ميزان گسترش ابر نگاه كنيم. هر چه ابر بزرگتر باشد، اتم ها پرانرژي تر هستند، زيرا توانسته اند به ميزان بيشتري از ميدان نيروي مغناطيسي فاصله بگيرند.اين حالت شبيه جو زمين است، كه حدود 10 كيلومتر ضخامت دارد. اين عبارت به اين معني است كه اتم ها مي توانند در دماي اتاق تا فاصله 10 كيلومتري سطح زمين رفته و از ميدان نيروي گرانشي سياره ما فاصله بگيرند. اگر دماي سياره ما ده مرتبه كمتر بود (يعني حدود 30 كلوين يا 240 _ درجه سانتي گراد) آن وقت، ضخامت جو زمين فقط يك كيلومتر بود. در دماي 30 ميكرو كلوين جو متراكم شده و ضخامت آن فقط يك ميلي متر مي شد و در دماي 30 نانوكلوين ارتفاع جو به يك ميكرون يعني به حدود يكصدم ضخامت تار موي انسان مي رسيد. (البته هوا گاز ايده آل نيست و در هنگام سرد شدن مايع مي شود). در آزمايش هاي ما، اتم ها هم در معرض نيروي مغناطيسي و هم در معرض نيروي گرانشي قرار دارند. در مركز اين نيروي گرانشي كاملاً با نيروي مغناطيسي خنثي مي شود.
اندازه ابر الكتروني با استفاده از نور ليرز مشخص مي شود، اتم ها نور ليزر را كاملاً جذب مي كنند و در نتيجه يك سايه تشكيل مي شود. با استفاده از چندين لنز، تصوير اين سايه روي يك حسگر الكترونيك مشابه همان حسگرهايي كه در دور بين هاي ديجيتال وجود دارد، منتقل مي شود. از آنجايي كه شدت ميدان مغناطيسي با دقت مشخص شده است، اندازه ابر معياري مطلق از انرژي و در نتيجه دماي اتم هاست. (به عبارت دقيق تر چگالي توزيع اتم ها نشان دهنده توزيع انرژي پتانسيل است) روش ديگر براي تعيين دما، اندازه گيري انرژي جنبشي اتم هاست.
براي انجام اين كار تله مغناطيسي را با قطع جرياني كه از سيم پيچ مغناطيسي مي گذرد، به طور ناگهاني قطع مي كنند. در غياب نيروي مغناطيسي، اتم ها به آساني منتشر شده و ابر به طور باليستيك منبسط مي شود. با گذشت زمان اندازه ابر گسترش مي يابد كه ميزان اين گسترش به طور مستقيم نشان دهنده سرعت اتم ها و در نتيجه دماي آنهاست (به عبارت دقيق تر، تصوير جذبي از يك ابر در حال انبساط توزيع انرژي جنبشي در ابر را نشان مي هد.) براي يك زمان مشخص از انبساط باليستيك، اندازه سايه، بيانگر ميزان دما است. (دما متناسب با مربع اندازه ابر است) دستيابي به دماهاي پايين تر و پايين تر به وسيله انقباض سايه نشان داده مي شود.
منبع:شرق و ملاصدرا
دما را مي توان با واحدهاي مختلفي اندازه گرفت. معمولاً براي اندازه گيري دما در زندگي روزمره از واحدهاي سلسيوس و فار نهايت استفاده مي كنيم. صفر مقياس دما بايد متناظر با سرعت صفر ذرات گاز و در نتيجه انرژي صفر اين ذرات باشد، اما دو واحد دماي نامبرده فاقد اين خاصيت طبيعي هستند. بنابراين مقياس دماي طبيعي، دماي مطلق است كه برحسب دماي كلوين اندازه گيري مي شود. صفر كلوين پايين ترين دماي ممكن است. در صفر مطلق تمام حركت ها متوقف مي شود. بديهي است دستيابي به دماي پايين تر از صفر مطلق امكان پذير نيست، زيرا سرعتي كمتر از صفر و انرژي كمتر از هيچ، وجود ندارد. (البته به خاطر داشته باشيد كه در اينجا منظور از انرژي، فقط انرژي هايي است كه مي توان از ذرات گرفت و شامل مقدار انرژي باقي مانده يا انرژي نقطه صفر مكانيك كوانتومي كه در مورد بعضي از ذرات از آنها صحبت مي شود، نيست.)
صفر مطلق متناظر با 273 _ درجه سلسيوس و 460 _ درجه فار نهايت است. براي سرد كردن يك جسم لازم است انرژي موجود در جسم را استخراج كرده و آن را به جايي ديگر منتقل كنيم. براي مثال در يخچال هاي خانگي، مبدل گرمايي موجود در پشت يخچال گرم مي شود، زيرا انرژي استخراج شده از اجسام موجود در درون يخچال به اين قسمت منتقل مي شود. (علاوه بر گرمايي كه از اجسام موجود در درون يخچال به اين قسمت منتقل مي شود، مقداري گرما نيز به دليل كار كردن خود يخچال توليد مي شود.)
در دهه 1980 و 1990 روش هاي جديدي براي سرد كردن اتم هاي گازي ابداع شد: سرد كردن ليزري و سرد كردن تبخيري. با تلفيق اين دو روش، دسترسي به دماهاي پايين تر از يك نانو كلوين (يك ميلياردم درجه كلوين) ممكن شده است. پايين ترين دمايي كه تاكنون به آن دست يافته اند، دماي 4?0 پيكوكلوين است و تقريباً شش برابر كمتر از ركورد قبلي دما است. گروه ما توانسته است به اين ركورد دما دست يابد كه گزارشي از آن در شماره 12 سپتامبر 2003 مجله ساينس به چاپ رسيده است. در سال هاي اخير نيز دو جايزه نوبل براي توسعه اين روش ها اهدا شد (سال هاي 1997 و 2001) در سردسازي ليزري، اتم ها نور ليزر را پراكنده مي كنند. هر فوتون ليرز كه با ماده برخورد مي كند، جذب آن شده و مجدداً در جهت ديگري منتشر مي شود. به طور متوسط، رنگ فوتون پراكنده شده نسبت به نور ليزر اوليه كمي به سمت آبي جابه جا مي شود و اين يعني فوتون پراكنده شده انرژي بيشتري نسبت به فوتون جذب شده دارد.
از آنجايي كه انرژي كل پايسته است، اختلاف در انرژي فوتون از حركت هاي اتمي اخذ شده است و اين يعني حركت اتم ها كند شده است. تغيير در طول موج اين تابش ها به دليل اثر داپلر (كه اين جابه جايي متناسب با سرعت هاي اتمي است) يا به دليل جابه جايي استارك (كه به واسطه ميدان الكتريكي پرتوهاي ليزر است) روي مي دهد و بدين ترتيب مي توان تفسيري از چگونگي كاهش انرژي اتم ها ارائه داد.
تفسير ديگر، بر چگونگي انتقال اندازه حركت (momentum) به اتم ها تأكيد دارد. اگر اتم ها در معرض چندين پرتو ليزر با مقدار قطبيت و بسامد مشخص قرار گيرند، عمدتاً فوتون هايي را جذب مي كنند كه از طرف نيم كره جلويي مي رسد. در اين حالت زاويه اي اندازه حركت زاويه اي فوتون و سرعت اتم ها با يكديگر مي سازند بيشتر از 90 درجه است. اندازه حركت فوتون مولفه اي دارد كه مخالف جهت حركت اتم است و در نتيجه اندازه حركت فوتون جذب شده از سرعت اتم مي كاهد. در مرحله بعدي نشر فوتون باز زاويه هاي مختلف روي مي دهد و در نتيجه از متوسط چرخه هاي متعدد جذب و نشر فوتون، تغييري در اندازه حركت به دليل نشر فوتون روي نمي دهد. مرحله اساسي ايجاد شرايطي است. كه اتم ها فوتون ها را عمدتاً از جهت جلو دريافت كنند، كه اين كار با استفاده از جابه جايي داپلر امكان پذير است. وقتي كه زاويه بين اندازه حركت فوتون و سرعت اتمي بيش از 90 درجه باشد، اتم و نور در خلاف جهت يكديگر در حال حركتند و جابه جايي داپلر منجر به افزايش بسامد مي شود.
وقتي كه نور ليزر براي تشديد اتمي در حالت قرمز تنظيم شده باشد، جابه جايي داپلر موجب افزايش تشديد و جذب اتمي مي شود. براي نورهايي كه از جهت عقب مي آيند و زاويه بين اندازه حركت فوتون و سرعت اتمي كمتر از 90 درجه است، جابه جايي معكوس روي مي دهد و نور را از تشديد اتمي دورتر كرده و در نتيجه جذب كمتري روي مي دهد. وقتي كه ابراتمي متراكم تر و سردتر شد، فرآيندهاي سردسازي كه در بالا تشريح شد، بر فرآيندهايي كه موجب گرم شدن مي شود، غلبه مي كند. از فرآيندهايي كه موجب گرم شدن مي شود مي توان به آزادسازي انرژي در اثر برخورد اتم ها و عقب نشيني اتفاقي در اثر پراكندگي اشاره كرد، هر چند كه مقدار متوسط اين حركت ها صفر است اما باز هم موجب حركت هاي ارتعاشي خفيفي در اتم ها مي شود و در نتيجه دسترسي به پايين ترين دما را محدود مي سازد. با اين همه، اكنون اتم ها آنقدر سرد هستند كه بتوان آنها را توسط ميدان مغناطيسي محدود كرد. در اين حالت اتم هايي انتخاب مي شود كه الكترون فرد و در نتيجه گشتاور مغناطيسي دارند.
در نتيجه اين اتم ها همانند يك ميله مغناطيسي كوچك عمل مي كنند. ميدان مغناطيسي خارج بر آنها نيرو وارد مي كند، اين نيرو با گرايش مقابله كرده و آنها را در فضا شناور نگه داشته و باعث مي شود كه در كنار يكديگر بمانند، به عبارت ديگر اتم ها در يك قفس مغناطيسي كه ديوارهاي نامريي از جنس ميدان هاي مغناطيسي دارد، گرفتار شده اند. براي سردسازي بيشتر از فرآيند سردسازي تبخيري استفاده مي شود. اين فرآيند با حذف اتم هاي پرانرژي از سيستم صورت مي گيرد. همين فرآيند باعث سرد شدن فنجان قهوه مي شود، وقتي كه اكثر مولكول هاي پرانرژي به شكل بخار از فنجان خارج مي شوند، متوسط انرژي و متعاقب آن دماي مولكول هاي باقي مانده كاهش مي يابد.
در يك تله مغناطيسي، اغلب اتم هاي پرانرژي از سد كشش نيروي مغناطيسي گريخته و به فاصله هاي دورتري بروند، در نتيجه اين اتم ها مي توانند به مناطق با ميدان مغناطيسي بالاتري نسبت به اتم هاي سردتر منتقل شوند.
در اين ميدان هاي مغناطيسي قوي، اتم ها با امواج راديويي يا ميكرو ويو تشديد حاصل مي كنند، كه باعث تغيير گشتاور مغناطيسي شده و در نتيجه اتم ها پرواز كرده و از تله مغناطيسي مي گريزند. يك انيميشن عالي از فرآيند سرد شدن را مي توانيد با مراجعه به نشاني زير بيابيد.
اما چگونه مي توان دماي بسيار پايين اتم ها را اندازه گرفت؟ يك روش ساده اين است كه به ميزان گسترش ابر نگاه كنيم. هر چه ابر بزرگتر باشد، اتم ها پرانرژي تر هستند، زيرا توانسته اند به ميزان بيشتري از ميدان نيروي مغناطيسي فاصله بگيرند.اين حالت شبيه جو زمين است، كه حدود 10 كيلومتر ضخامت دارد. اين عبارت به اين معني است كه اتم ها مي توانند در دماي اتاق تا فاصله 10 كيلومتري سطح زمين رفته و از ميدان نيروي گرانشي سياره ما فاصله بگيرند. اگر دماي سياره ما ده مرتبه كمتر بود (يعني حدود 30 كلوين يا 240 _ درجه سانتي گراد) آن وقت، ضخامت جو زمين فقط يك كيلومتر بود. در دماي 30 ميكرو كلوين جو متراكم شده و ضخامت آن فقط يك ميلي متر مي شد و در دماي 30 نانوكلوين ارتفاع جو به يك ميكرون يعني به حدود يكصدم ضخامت تار موي انسان مي رسيد. (البته هوا گاز ايده آل نيست و در هنگام سرد شدن مايع مي شود). در آزمايش هاي ما، اتم ها هم در معرض نيروي مغناطيسي و هم در معرض نيروي گرانشي قرار دارند. در مركز اين نيروي گرانشي كاملاً با نيروي مغناطيسي خنثي مي شود.
اندازه ابر الكتروني با استفاده از نور ليرز مشخص مي شود، اتم ها نور ليزر را كاملاً جذب مي كنند و در نتيجه يك سايه تشكيل مي شود. با استفاده از چندين لنز، تصوير اين سايه روي يك حسگر الكترونيك مشابه همان حسگرهايي كه در دور بين هاي ديجيتال وجود دارد، منتقل مي شود. از آنجايي كه شدت ميدان مغناطيسي با دقت مشخص شده است، اندازه ابر معياري مطلق از انرژي و در نتيجه دماي اتم هاست. (به عبارت دقيق تر چگالي توزيع اتم ها نشان دهنده توزيع انرژي پتانسيل است) روش ديگر براي تعيين دما، اندازه گيري انرژي جنبشي اتم هاست.
براي انجام اين كار تله مغناطيسي را با قطع جرياني كه از سيم پيچ مغناطيسي مي گذرد، به طور ناگهاني قطع مي كنند. در غياب نيروي مغناطيسي، اتم ها به آساني منتشر شده و ابر به طور باليستيك منبسط مي شود. با گذشت زمان اندازه ابر گسترش مي يابد كه ميزان اين گسترش به طور مستقيم نشان دهنده سرعت اتم ها و در نتيجه دماي آنهاست (به عبارت دقيق تر، تصوير جذبي از يك ابر در حال انبساط توزيع انرژي جنبشي در ابر را نشان مي هد.) براي يك زمان مشخص از انبساط باليستيك، اندازه سايه، بيانگر ميزان دما است. (دما متناسب با مربع اندازه ابر است) دستيابي به دماهاي پايين تر و پايين تر به وسيله انقباض سايه نشان داده مي شود.
منبع:شرق و ملاصدرا
