کوی دانش - kooy

یک میکروسکوپ اتمی شگفت انگیز: میکروسکوپ فرمیونیک

یک میکروسکوپ اتمی شگفت انگیز: میکروسکوپ فرمیونیک
31 اردیبهشت
20:30 1394
در تصویر بالا، یک چیدمان اپتیکی برای خنک کنندگی با لیزر دیده می شود.

میکروسکوپی که با آن می توان تا 1000 اتم تکی فرمیونی را دید، توسط تیمی از فیزیکدان های آمریکایی ساخته شده است. این تیم پژوهشی، با بهره گیری از پرتوهای لیزر، ابری از اتم های پتاسیم را در یک شبکه اپتیکی به دام می اندازند، اتم ها را خنک می کنند و سپس به صورت همزمان آنها را به تصویر می کشند. تکنیک جدید به پژوهشگران این امکان را می دهد تا موضوع فرمیون های تکی را حل کنند، تعامل های مغناطیسی آنها را مستقیماً مشاهده کنند و حتی [entanglement [1 را در درون مجموعه شناسایی کنند.

فرمیون ها ذراتی هستند که اسپین آنها به صورت "نیمه عدد صحیح" است و بنابراین توسط اصل پائولی از آنها ممانعت می شود. مورد مزبور سبب می شود که این موضوع دیکته شود که هیچ دو فرمیون یکسانی، همزمان یک حالت کوانتومی را اشغال نمی کنند. فرمیون ها شامل ذرات بنیادین بسیاری هستند (کوارک ها، الکترون ها، پروتون ها و نوترون ها). همچنین اتم ها از تعداد فوق العاده زیادی از این ذرات بنیادین تشکیل شده اند. در نتیجه، رفتار جمعی فرمیون ها مسبب این موارد است: ساختمان عناصر جدول تناوبی، اَبَررساناهای دمای بالا، موادی با مقاومت مغناطیسی بسیار بالا و غیره. با وجود اهمیتی که ذرات فرمیون دارند، ما هنوز تصویر کاملی از واکنش های نیرومند این ذرات در دست نداریم چون تصویربرداری و مطالعه آنها دشوار است.

پژوهشگران بر روی بوسون ها مطالعه کرده اند (بوسون ها ذراتی هستند که اسپین آنها عدد صحیحی است و می توانند حالت کوانتومی یکسانی را اشغال کنند). این مطالعات با خنک کردن ابرهایی از اتم های بوسونی انجام می شود تا دمای آنها به نزدیکی صفر مطلق برسد و تقطیر Bose- انیشتین تشکیل شود و آنگاه واکنش های آنها را بررسی کنند. ولی انجام دادن این کار با فرمیون ها دشوار است (اصل ممانعت به دو فرمیون اجازه نمی دهد تا دقیقاً در یک حالت باشند). بنابراین، هنگامی که فرمیون های بیشتری به سیستم افزوده می شوند، هر فرمیون بعدی با انرژی بالاتر فزاینده ای به پیش می آید و خنک شدن سیستم سخت تر می شود. همچنین اتم های بسیار خنک، تنها با نور یک فوتون تکی به سادگی برانگیخته می شوند که این سبب می شود اتم ها به سختی برای مدتی طولانی در یک مکان محصور شوند و نتوان تصویر روشنی تهیه کرد.

نور بسیار خنک

برای حل این مشکلات، پژوهشگرانی از دانشگاه ام آی تی، یک تکنیک میکروسکوپی فراهم ساخته اند که تصویر برداری از اتم ها را با همان نوری انجام می دهد که آنها را خنک می کند. نخست فرمیون ها با بهره گیری از متدهای استاندارد، تا دمایی خنک می شوند که تنها کمی بالاتر از صفر مطلق است. این متدها دربرگیرنده خنک سازی با لیزر، به دام انداختن مغناطیسی و خنک سازی تبخیری گاز می باشد. این خنک کردن تا زمانی ادامه می یابد که دمای همه اتم ها فقط کمی بالاتر از صفر مطلق باشد. در این دما، اتم ها در درّه مانندهایی از یک شبکه اپتیکی مستقر می شوند، در نتیجه هر گونه تماسی بین فرمیون های همسایه متوقف می شود و از واکنش آنها با یکدیگر جلوگیری می شود. شبکه اپتیکی که تنها 7 میکرومتر از لنزهای تصویربرداری میکروسکوپ فاصله دارد، از پرتوهای لیزری متقاطع تشکیل شده است که ساختاری شبیه به شانه تخم مرغ دارد و در هر یک از این درّه مانندها، یک فرمیون به دام افتاده است.

سپس حتی با بهره گیری از دو لیزر، اتم ها رنگ آمیزی بیشتری می شوند. هر یک از این دو لیزر، طول موج متفاوتی دارند. این متد، بهره گیری از انتقال "رامان" را میسر می سازد: هر اتمی که یک پروتون جذب می کند، بی درنگ برانگیخته می شود تا فوتون دیگری را منتشر کند و بدین گونه، سطح لرزشی فرآیند را کاهش می دهد. موقعیت هر یک از اتم ها توسط فوتون برانگیخته شده شناسایی می شود که با سرد شدن، فوتون منتشر می کند. این فوتون ها توسط لنز میکروسکوپ که در بالای شبکه هست، دراختیار گرفته می شوند. این کار به تیم اجازه می دهد تا موقعیت واقعی فرمیون را در درون شبکه مشخص کند تا دقتی به دست آید که میزان این دقت، بالاتر از طول موج نور است.

در تصویر بالا، اتم های تکی در ابر پتاسیومی بسیار سرد دیده می شود.

 

با بهره گیری از این متد، پژوهشگران توانستند تا بیش از 95% از اتم ها را در ابری از پتاسیوم 40 خنک کنند و از آنها تصویربرداری کنند. تیم مزبور از این موضوع شگفت زده شد که فرمیون ها حتی پس از تکمیل تصویربرداری نیز در حالت سرد باقی ماندند. «این بدان معنی است که ما می دانیم فرمیون ها در کجا هستند و احتمالاً بتوانیم آنها را با ابزار بسیار کوچکی شبیه موچین به هر طرف ببریم و آنها را به شکل هر الگویی که بخواهیم، بچینیم». این پژوهشگران برای آنکه آزمایش آنها دچار هیچ گونه تلفات ناشی از نور نشود، این موضوع را دنبال کردند که اتم ها چگونه بین تصاویر پشت سر هم حرکت می کنند و در حالت استاتیک و پایا، اتم ها چگونه در سرتاسر شبکه توزیع می شوند. این تیم متوجه شد که در این متد، تعداد چندانی از اتم ها از دست نمی روند.

جعبه ابزاری از اتم های سرد

یکی از فیزیکدان های یونیون کالج آمریکا که خودش دست اندرکار این پروژه نبوده، تحت تأثیر این پروژه قرار گرفته است، چون این پروژه امکان بهره گیری از اتم های فرمیون را فراهم می سازد تا بتوان رنج گسترده تری از قیاس های مربوط به ماده متراکم شده ایجاد کرد. «اگر به رفتار بوسون ها در یک شبکه نوری نگاه کنید، می بینید که این رفتار مشابه است با رفتار اَبَررساناها که طی آن، الکترون ها با هم جفت می شوند تا به مانند بوسون ها عمل کنند. ولی سیستمی متشکل از فرمیون ها در یک شبکه، بیشتر شبیه به یک رسانای معمولی است که طی آن، الکترون ها تابع بازدارندگی پائولی هستند و شما می توانید سایر رفتارهای جالب مشابه را نیز ببینید. شما با سیستم های فرمیونی می توانید درباره بهره گیری از میدان های نوری نیز بیندیشید تا بتوانید واکنش های بین اتم ها را به روش های جالبی تغییر دهید و این را تماشا کنید که ذرات چگونه به اطراف حرکت می کنند.» پژوهشگران می گویند که این کار مطالعاتی، موارد خوبی را به "جعبه ابزار تجربی اتم سرد" می افزاید چون اتم ها مستقیماً تصویربرداری می شوند و شما برای تغییر پارامترها، همه گونه آزادی عملی را در اختیار دارید، بدون آنکه نیازی به ساختن نمونه های جدید داشته باشید.

.................................................................................................................................................

[1] entanglement: کوانتومی یک پدیده ی فیزیکی است و هنگامی رخ می دهد که زوج هایی از ذرات یا گروه هایی از آنها تولید می شوند و یا واکنش انجام می دهند، به گونه ای که حالت کوانتومی هر یک از ذرات را نمی توان به صورت مستقل از یکدیگر شرح داد. در واقع، یک حالت کوانتومی را می توان به عنوان یک کلّیت برای سیستم اختصاص داد.

کلمات کلیدی

اشتراک

درباره نویسنده

ابراهیم یگانه

ابراهیم یگانه

با درودهای گرم به همه.

 

*  تحصيلات: لیسانس الكترونيك

*  تاریخ تولد: 1342

*  سابقه کار ترجمه (به جز سایت کوی دانش): همکاری با دارالترجمه ها، شرکت ها و اعضاء هیئت علمی دانشگاه ها و دانشجویان مقاطع تحصیلی مختلف، ترجمه چندین سایت (سایت آمریکایی سرطان، ...)

*  پیشینه شغلی در سایر زمینه ها: مهندس بازنشسته ایران خودرو با تجربه علمی و عملی در زمینه بهینه سازی مصرف انرژی (برق، آب، گاز، هوای فشرده) در صنایع و در محیط های خانگی.

شما اولین نفری باشید که برای این خبر نظر میدهد
تصویر امنیتی



عبارت در تصویر را وارد کنید


محققان راهی برای خودترمیمی کامپوزیتها در دمای بسیار پایین یافتند

محققان راهی برای خودترمیمی کامپوزیتها در دمای بسیار پایین یافتند

دانشمندان روشی را توسعه داده اند که توسط آن موادی که عموماً در صنایع هوایی و ماهواره ها استفاده می شوند می توانند به خودترمیمیِ شکستها و خش های خود در دمای زیر انجماد بپردازند. برای بررسی بیشتر با کوی دانش همراه باشید...

مطالعه متن کامل
راه حلی مؤثر و کم هزینه برای ذخیره انرژی خورشیدی

راه حلی مؤثر و کم هزینه برای ذخیره انرژی خورشیدی

چگونه می توان انرژی خورشیدی را برای استفاده در زمانی که تابش خورشید وجود ندارد ذخیره کرد؟ یک راه حل تبدیل انرژی خورشیدی به هیدروژن توسط الکترولیز آب است. این ایده به این صورت است که از الکتریسیته ای که توسط انرژی خورشیدی (پنلهای خورشیدی) بدست می آید برای تجزیه ملوکولهای آب به اکسیژن و هیدروژن استفاده شود. سپس هیدروژن خالص را می توان بعنوان منبع انرژی الکتریسیته ویا یک منبع سوختی استفاده کرد. اما دقیقاً همینجاست که موضوع پیچیده می شود. حتی با وجود فناوری های مختلفِ تولید هیدروژن و نتایج نوید بخش آزمایشگاهی، هنوز این روش بسیار ناپایدار و گران است و صرفاً برای استفاده های بزرگ تجاری دارای صرفه است. حال، رویکرد جدیدی توسط محققانِ سوئیسی عرضه شده است. برای بررسی بیشتر با کوی دانش همراه باشید...

مطالعه متن کامل
تولید سوخت از دی اکسید کربن

تولید سوخت از دی اکسید کربن

در مطالعه ای جدید که توسط دپارتمان انرژی آرگونه از لابراتوار ملی آمریکا و دانشگاه ایلینویز در شیکاگو انجام شد، محققان موفق به یافتن راهی شدند تا با کمک نور آفتاب، دی اکسید کربن را به یک منبع قابل استفاده انرژی تبدیل کنند. برای بررسی بیشتر با کوی دانش همراه شوید...

مطالعه متن کامل
قهوه جوشی با قابلیت کشت قارچ

قهوه جوشی با قابلیت کشت قارچ

اگر از زمره عاشقان قهوه هستید و در عین حال قارچ هم از چاشنی های همیشگی غذاهای شماست احتمالاً از همین الان تصمیم قطعی برای خرید این دستگاه را خواهید گرفت. این دستگاه جالب توسط آدریان پرز طراح بارسایی طراحی و تولید شده است. دستگاه های قهوه جوش صرفاً دو دهم درصد از قهوه را تبدیل به نوشیدنی می کنند و مابقی بصورت تفاله دور ریخته می شود. گرچه استفاده از تفاله قهوه بعنوان بستری برای پرورش قارچ موضوع جدیدی نیست ولی در پشت دستگاهی که در ادامه بررسی می کنیم تفکر خلاقانه ای وجود دارد. برای بررسی بیشتر با کوی دانش همراه شوید...

مطالعه متن کامل
پیشرفت تکنولوژی پهپادها

پیشرفت تکنولوژی پهپادها

پهپادها بزودی قادر خواهند بود همانند یک پرنده ویا یک حشره بالدار تصاویر محیط را دریافت کرده، پردازش نمایند و بدون نیاز به دخالت نیروی انسانی، رادار وحتی هدایت GPS ماهواره ای راه خود را بیابند. برای بررسی بیشتر با کوی دانش همراه شوید...

مطالعه متن کامل
افراد فلج می توانند با موفقیت از دست های روباتیکی استفاده کنند که توسط ذهن آنها کنترل می شود

افراد فلج می توانند با موفقیت از دست های روباتیکی استفاده کنند که توسط ذهن آنها کنترل می شود

در سال 2012 یک زن فلج، حرکت دادن دست روباتیک را مدیریت کرد. او این کار را تنها با ذهنش انجام می داد. این کار آن قدر حرفه ای انجام می شد که به او امکان می داد یک تکه شکلات را با بهره گیری از این دست بخورد، هر چند که تیم دانشگاه پیتسبورگ که در پشت سر این کار پژوهشی بود، کارش را در این مرحله متوقف نکرد. با بهبود فرآیند مربوط به دست و همکاری نزدیک تر با شخص مورد مطالعه که زنی بنام Jan Scheuermann بود، پژوهشگران او را قادر ساختند تا دست چنگال مانندی را که پیشتر داشت، با چهار حرکتِ جدیدِ "دست مانند" عوض کند، باز کردن انگشتان، حالت نیشگون گرفتن، ملاقه ای کردن دست و نشان دادن شست، این قابیلت ها امکان انجام مهارت های پیچیده تر را فراهم می ساخت.

مطالعه متن کامل
10 گوشی هوشمندِ گران قیمت جهان

10 گوشی هوشمندِ گران قیمت جهان

هیچوقت شده که تا حالا روی نیمکتی بنشینید و با خودتان فکر کنید که "حالا با این چند میلیون دلار خودم چه کار کنم؟" خب ، در این مطلب برایتان از 10 ایده خرید عالی صحبت می کنیم که می توانید پول فراوانتان را صرفشان کنید.

مطالعه متن کامل
پشتیبانی پزشک به کاهش وزن کمک می کند.

پشتیبانی پزشک به کاهش وزن کمک می کند.

پزشکان نقش مهمی در کمک به کاهش وزن افراد دارند. کاهش وزن به طور متوسط روی آن دسته افراد چاقی که فکر می کنند پزشکان عامل کمکی آنها هستند، دو برابر کسانی است که چنین اعتقادی ندارند.

مطالعه متن کامل
سازه‌های مهندسی که سرعت نور را تغییر می‌دهند می‌توانند برای سیستم‌های ارتباطیِ نوری مفید باشند.

سازه‌های مهندسی که سرعت نور را تغییر می‌دهند می‌توانند برای سیستم‌های ارتباطیِ نوری مفید باشند.

دانشمندان سازمان A*STAR (موسسه ی محاسبات با کارآییِ بالا) توانستند روشی برای طراحی مواد ایجاد کنند که مواد را قادر می‌سازد تا فرآیندِ انتشار نور در طول گستره‌‌ی وسیعی از طول موج را آهسته کنند. سرعت نور در خلاء همیشه ثابت است. این نظریه توسط آلبرت انیشتین اثبات شده است. با این وجود سرعت نور زمانی که واردِ محیط‌های مختلف مانند شیشه، می‌شود کاهش می‌یابد. درجه‌ی کاهش سرعت بوسیله‌ی ثباتِ دی‌الکتریک در مواد تعیین می‌شود. هرچه ثباتِ دی‌الکتریک بیشتر باشد، انتشار آهسته‌تر می‌شود. به جای استفاده از مواد طبیعی با منابع محدود، دانشمندان شروع به طراحیِ موادی نوری کردند که خواص بیشتری از جمله کاهشِ سرعت نور دارند.

مطالعه متن کامل
تیم دانشگاه کورنل و FSU، بخش معنادار ژنوم ذرت را تعریف کردند

تیم دانشگاه کورنل و FSU، بخش معنادار ژنوم ذرت را تعریف کردند

تصویر فوق: هانک باس استادیار دانشگاه، تکنیکی ژنتیکی را نشان می دهد که وی و دانیل ورا پیشگام استفاده از آن در دانشگاه ایالت فلوریدا بوده اند. محققان FSU و دانشگاه کورنل با استفاده از تکنیک نقشه برداری ژنتیکی که توسعه داده شده است، نشان دادند درصد کوچکی از کل ژنوم ذرت مسئول تمام تنوع صفات این گیاه می باشد. هانک باس، استادیار علوم زیست شناسی در FSU، و دانیلا ورا مدیر یک مرکز پزشکی و ژنومیک FSU از دانش فنی خود در زمینه نقشه برداری از ژنوم ذرت استفاده کرده و آنرا با دانش فنی ژنومیک های آماری همکاران دیگر در دانشگاه کورنل به نام های الی راجرز ملنیک و اد باکلر ترکیب نموده و دریافتند بخش کوچکی از کروماتیک، همان کمپلکس DNA و پروتئین های مربوطه به آن، مسئول 40 درصد از تنوع ارثی صفات ذرت می باشد.

مطالعه متن کامل