علماء الفيزياء يَكشفون عن طريقة جديدة لتبريد الاجسام الكبيرة بواسطة الضوء

تقنيةٌ جديدةٌ تختصّ بتبريد الأجسام المايكروسكوبية العينيّة بواسطة ضوء الليزر، تمّ عرضها من قبل مجموعة من علماء الفيزياء من ألمانيا وروسيا بواسطة الإستخدام الذكي لتداخل الموجات في التجويف البصري الذي يسخّن الأشياء في العادة، فلهذا يمكن لهذه التقنية أنْ تؤدّي الى تطوّر في تذبذبات البصريات المستقرة التي من شأنها أنْ  تعزّز من حساسية الكشف عن جاذبية الموجة، ومن شأنها أيضاً أنْ تُستخدَم لخلق مؤشرات التذبذب الكمّيّة بصورةٍ كبيرة من أجل دراسة خصائص الكم من خلال الأشياء الماكروسكوبية أو  لإنشاء مكونات خاصة لأجهزة كمبيوترات الكم.

علماء الفيزياء لديهم بالفعل طرائق خاصة بوسائل تبريد المرايا الصغيره بواسطه وضعها في تجويف بصري يحتوي على على ضوء ليزري، عندما تكون المرايا دافئة فإنه يهتزّ مولّداً  سلسلةً من نطاق الترددات الجانبية (sidebands) التي يتردد صداها مع الضوء وفق ترددات معينة، فيكون للجانب السفلي منها ترددٌ يساوي الفرق بين تردد الرنين من التجويف وتردد الذبذبات من المرآة، لذلك عندما يكون الفوتون في ذلك التردد يدخل التجويف حيث يمكن إستيعابه مع كمّ ضئيل  من طاقة الذبذبات ونتيجةً لهذه العملية (إقتران التشتت) يتمّ تبريد المرآة بسبب إزالة الطاقة منها.

إقتران التشتّت يعمل بصورةٍ أفضل عندما يكون النطاق التردّدي من التجويف أصغر بكثير من الوتيرة الخاصة بذبذبات المرآة. هذا الشيء ممكن حدوثه  في المرايا الصغيره ذات المئات من وحدات  الميغا هرتز من تردد الذبذبات، مع ذلك المرايا الضخمة التي تكون ذات تردد ذبذبات متكون من مئات الكيلوهرتز مع عرض نطاق ترددي ضيق بما فيه الكفاية تكون ببساطة غير متوفرة.

التبريد مع تداخل الموجات

خلال العمل الأخير، تمّ تبريد شيء كبير بواسطة تقنية جديدة تنطوي على (اقتران التفرّق) و(إقتران التشتّت). أُقترِح إقتران التفرّق أو التبدد لأول مرة في عام 2009 من قبل “florian elste”  و”Aashish” من جامعة ماكجيل وكان معهما “steven girvin” من جامعة ييل، حيث أن هذه التقنية تجعل إستخدام الكمّ بصورة أسهل من خلال ضوء الليزر والذي في العاده ما تمتصّه المرآة مؤديةً إلى تسخينه.

مع ذلك اذا كانت المرآة في التجويف البصري وحركتها مقترنة بإتجاه إنعكاس المرآة عندها فقط  تكون في الطريق الصحيح، وبعد ذلك هنالك طريقتان لإيصال تداخل الموجات الى المرآة، فالطريقة الأولى هي أنها في وسعها الإنتقال مباشرة من الليزر إلى المرآة، والثانية هي أنها  في وسعها الإرتداد حول التجويف، حيث يكون هنالك تداخل يكون أما تخريبي (مدمر) أو بنّاء. كليرك وزملائه أدركوا انّ النظام يمكن إعداده بحيث يُوقِف التداخل الهدّام او  التخريبي نتيجة تداخل موجات الكم بعد تسخين المرآة ولكن لا يَمنع المرآة من فقدان الطاقة. الأثر الإضافي هو التبريد القوي لحركة المرآة (الإنعكاس) على عكس مخططات التبريد في التجويف القياسي. “لا يعتمد هذا التداخل على وجود تردد ميكانيكي كبير جداً “، وفقا لشرح كليرك وهذا يعني أنّه  يمكن إستخدامه لتبريد المرايا الكبيرة التي لها تردد ذبذبات منخفضة.

تفاعل واقتران العمل

في احدث اعمال رومان شنابل  “Roman schnable ” وزملائه في معهد ماكس بلانك لفيزياء الجاذبية في هانوفر، جامعة موسكو الحكومية وجامعة ليبنز في هانوفر، قد أظهروا أنّ إقتران التبدّد والتشتّت بإمكانهما العمل معاً لتبريد المرايا الكبيرة نسبياً وإستناداً على فكرة أُقترحَت لأول مرة من قبل باحثين في عام 2013 قاموا بإستخدام تقنية التجويف التي تمّ إنشاؤها من تداخل (Michelson-sagnac). ما فعلوه هو اطلاق الليزر على جهاز (beamsplitter) لخلق شعاعين حيث أنّ هذين  الشعاعين ينطلقان بزوايا قائمه في بعضهما البعض، يتم إرسال الضوء من منفذ إخراج للتداخل الى مرآة إشارة إعادة التدوير أو (srm) حيث ينعكس بعض الضوء مرةً أخرى ويتمّ إرسال بعضها إلى الكاشف.

الشيء المراد تبريده  هو مرآة مصنوعة من نتريد السلكون،  سمكها 40 نانومتر والتي يتمّ وضعها في وسط التجويف تزن حوالي  80 نانوغرام وتردد ذبذباتها الأساسي يصل تقريباً  136 كيلوهرتز. الحركه الإهتزازية للمرآة لاتغيّر فقط تردّد الرنين الخاص بالتجويف “مما يؤدّي إلى ظهور نطاق الترددات الجانبيه  وظهور التشتت”، لكن أيضاً من عرض النطاق الترددي الخاص بالتجويف. عندما يكون معدل التغير في عرض النطاق الترددي كبير والطاقه يمكن تبادلها بين التجويف والمراة. من خلال التعديل بعناية بين المراة المهتزه والضوء الطاقه وحدها تتدفق من المراة الى التجويف وبالتالي تحصل عملية تبريد المراة.

تبريد كلفن الفرعي

راقب الباحثون درجة حرارة المرآة بإستخدام ضوء الليزر لقياس حركته فوجدوا  أنّه بإستخدام تبريد التشتّت والتفرّق حيث يمكن تبريد المرآة من درجة حرارة الغرفة إلى 126 ملي كلفن. وتعليقاً على هذه التجربة، أخبر  كليرك  موقع “physicsword”: “إنّ  طريقة شنابل هي أولّ نظام تجريبي حيث يكون لديك نوع خاص من تفرّق إقتران الميكانيكية التي يمكن أن تسمح لك أن تفعل أيّ شيء جديد حقاً.”

و أحد التطبيقات العملية لهذه التقنية هي إستخدامها لتبريد الأجسام الكبيرة نسبياً إلى حالتها الكمّية من الإهتزاز، وستضم هذه المؤشرات الكمّيّة المليارات من الذرات التي يمكن إستخدامها بإسم “قطط شرودنغر”لدراسة ميكانيكا الكم وتشمل التطبيقات الأخرى التي تُستخدَم كعناصر في أجهزة كمبيوتر الكم ونُظُم المعلومات الكمّيّة الأخرى.

الإستقرار في الإنبثاق البصري

مع ذلك فإنّه ليست قوة التبريد هي ما تثير شنابل ورفقائه حيث اخبر شنابل موقع ” physicsword”

إنّ الهدف هو خلق إنبثاق بصري مستقر حيث المرآة في تداخل كبير وتخضع لعملية تذبذب مستقر عند تعرضها لضوء الليزر، فمن شأن موجة الجاذبية الإنتقال عبر المرآة مسبّبةً إضطراباً صغيراً في التذبذب التي يتم الكشف عنها بواسطة التداخل، والمشكلة أنّ تداخل الموجات في النظام مع ارتفاع درجة حرارة المرآة يسبّب إهتزازها بصورة متقطّعة. يقول شنابل: “هدفنا هو تجنّب التسخين غير المسيطر عليه من المرآة” والذي قال بأنّ الفريق سوف يستخدم نموذجاً لخلق إنبثاق بصري مستقر بإستخدام 100 غرام من البندولوم كمرآة في تداخل صغير. الخلاصة النهائية لمجمل البحث هو: الهدف النهائي من هذا البحث هو استخدام مرآة تزن حوالي 40 كيلوغرام لكي تُستخدَم في أجهزة الكشف عن جاذبية موجة المستقبل.

المصدر: هنا