علمی فرهنگی

این وبلاگ در زمینه های اقتصادی،سیاسی،علمی،ادبی،روانشناسی،جامعه شناسی،اجتماعی،فرهنگی،تاریخ و دیگر مسایل که در جهان امروز جریان دارد کار میکند و امید دارد که بتواند این مسایل را به درستی برای دوستان خود به انجام برساند. و تشکر فراوان از شما عزیزان که ما را یاری میکنید.

جایزه نوبل سال 2001
ساعت ۱۱:٥٢ ‎ق.ظ روز ۱۳٩٢/۱٢/۱٤  کلمات کلیدی:

جایزه نوبل سال 2001 به یکی از حالتهای جدید ماده مربوط می شود.چگالی بوز-انیشتین سه دانشمندی که این جایزه را مشترا دریافت کردند عبارت اند از :اریک ا.کرنل از JILA و موسسه ملی استاندارد و فناوری در بولدرکلرادو در ایالات متحده امریکا . و ولفگانگ کترله از موسسه فناوری ماساچوست در کمبریج .و کارل ادوین ویمن از JILA و دانشگاه کلرادو در ایالات متحده امریکا .اعلامیه فرهنگستان سلطنتی سوئد دلیل اهدا جوایز را چنین بیان می کند:"دستیابی به چگالی بوز-انیشتین در گازهای رقیق اتمهای قلیایی و بررسی های اولیه روی خواص این چگاله ها".

حالت جدید ماده: چگاله بوز-اینشتین

 ماده ای که ما را احاطه کرده از اتمهایی تشکیل شده است که از قوانین مکانیک کوانتومی تبعیت می کنند. در دماهای عادی رفتار این اتمها با مفاهیم کلاسیک مطابقت دارد و گازی که تحت این شرایط قرار دارد مانند مجموعه ای از توپهای بیلییارد رفتار می کند که با یکدیگر و با دیواره های ظرف در برخوردند اتم هستند.اما وقتی دما کاهش پیدا می کند و از سرعت اتمها کاسته کی شود، کم کم اصول مکانیک کوانتومی بر رفتار اتمها حاکم می شود. اتمها حول محور خود دوران می کنند،یعنی اسپین دارنند و این حرکت را عدد کوانتومی اسپین توصیف می کند. بوزون ها رفتاری "اجتماعی " دارند و در دماهای کم تمتیل دارند در یک حالت کوانتومی جمع شوند در حالی که فرمیونها از هم دوری می جویند و هیچ دو فرمیونی نمی توانند در همان حالت کوانتومی قرار گیرند یعنی حالتهای پرانژی تر هم باید پر شود.آرایش عناصر در جدول تناوبی بر پایه همین واقعیت توضیح داده می شود.
در سال 1944 ،فیزیکداننان هندی اس.ان.بوز بری ذراتی که از آن زمان به نام او به بورون معروف شد ه اند،وبه طور خاص برای ذرات نور که بعدا به نام فوتون نامیده شدند،محاسبه ای آماری انجام داد. بوز برای یافتن قانون تابش پلانک راه دیگری پیدا کرد و کار خود را برای آلبرت اینشتین فرستاد.اینشتین اهمیت کار را تشخیص داد و آن را به آلمانی ترجمه و منتشر کرد. اینشتین  به سرعت نظریه را به بوزونهای جرم دار تعمیم داد و خود دو مقاله پی در پی در این باره منتشر کرد و پیش بینی کرد که اگر تعداد مشخصی از چنین ذراتی به اندازه کافی به هم نزدیک شوند و سرعت آنها به میزان کافی کند شود همه با هم به کم انرژی ترین حالت می روند ،همان چیزی که ما امروز به آن چگالش بوز-اینیشتین یا BEC  می گوییم .از زمان انتشار این مقالات تا کنون ، فیزیکدانها آرزو داشتند بتوانند به این حالت جدید و بنیادی ماده که انتظار می رفت بسیاری خواص جالب و مفید داشته باشند،دست بیابند. هفتاد سال گذشت تا بالاخره در سال 1995 ، برندگان جایزه نوبل سال 2001 ،با استفاده از روشهایی بسیار پیشرفته از پس این کار برآمدند .این حالت با اتمهای گاز قلیایی حاصل شد و می توان در این گازها این پدیده را مستقیما بررسی کرد.در هیچ جای دیگر عالم ،حالت حاد BEC  در گازهای رقیق را نمی توان یافت.قبلا در سیستمهایی پیچیده تر ، نمود چگالش بوز-اینیشتین مشاهده شده است یعنی چگالش زوجهای الکترون در ابررساناها (معادل با از بین رفتن مقاومت الکتریکی) و ابرشارگی (از بین رفتن اصطکاک).در این موارد نیز به دماهای کم نیاز است و به پژوهشهایی که در این زمینه ها انجام شده است چندین جایزه نوبل تعلق گرفته است .این سیستمهای کوانتومی در مقایسه با گازهای قلیایی ،سیستمهایی ساده نیستند .زیرا پدیده چگالش فقط به بخشی از سیستم مربوط می شود و برهم کنشهای قوی پدیده BEC را پنهان می کند.

موج یا ذره؟
وقتی گازها سرد می شوند، مایع می شوند.از این وضعیت باید پرهیز کرد و برنگان جایزه نوبل نشان دادند که با اتمهای قلیایی میتوان چنین کرد زیرا روبیدیم و سدیم با تک ایزوتوپ پایدار NA ، بین اتمها نیروهای ضعیف رانشی پدید می آید .می توان محاسبه کرد که برای رسیدن به چنین چگالی هایی اتمها باید با سرعت چند میلی متر در ثانیه حرکت کنند که معادل با دمای 100 نانو کلوین است یعنی یک دهم یک میلیونیم درجه بالای صفر مطلق. آنها با استفاده از روشهای سرمایش و به تله انداختن اتمهای خنثی قاطعانه از پس این کار برآمدند.این روشها خود موضوع جایزه نوبل 1997 بود.

BEC از طریق سرمایش لیزری و سرمایش تبخیری
اساس کار سرمایش لیزری تبادل تکانه بین فوتون و اتم است .برای سرد کردن نیاز است ترتیبی داده شود که فوتونها فقط در برخورد رودررو جذب شوند،در این صورت سرعت اتم کاهش می یابد و به حدی می رسد که متناظر با مسیر کاتوره ای اتم در اثر گسیل خودبه خودی است.اما باید اتمهای سرد شده را در کنار هم نگه داشت و این کار را می توان با تله های اتمی انجام داد.اساس کار این تله ها ،ترکیب کاربرد پرتوهای لیزر و میدانهای مغناطیسی است.
نیروی جاذبه را می توان با جابه جا کردن قطبهای مغناطیسی اتم به نیروی رانش تبدیل کرد.این کار با با میدان الکترومغناطیسی در طول موج رادیویی ممکن است. این روش موثر را دی.ای.پریچارد در MIT  پیشنهاد کرد.تندترین اتمها به لبه چاه پتانسیل می روند.در آنجا میدان مغناطیسی قوی تر است و در نتیجه فرکانس لازم برای جابه جا شدن قطبها بیشتر است. یکی از آخرین مشکلات این کار از دست رفتن اتمها در مرکز تله بود.در اینجا میدان مغناطیسی صفر است و امکان دارد قطبهای مغناطیسی خود به خود جا به جا شوند. با چرخاندن میدان مغناطیسی با سرعتی مناسب روی نمونه ،این مشکل برطرف شد واز فرار سیستماتیک اتمها از تله جلوگیری شد.
در حدود یال 1990 ، وایمن، خطوط راهنمای اصلی را برای رسیدن به چگالش بوز اینیشتین رسم کرد.جنبه های اصلی کار، سرمایش لیزری در MOT و سپس، گذر به تله ای کاملا مغناطیسی بود که بتوان در آن سرمایش تبخیری را به کار برد.وایمن ،برای کار روی پروژه ،کورنل را ابتدا به عنوان دانشجو و سپس به صورت دائم در NIST استخدان کرد.فرایند چگالش در دمای تقریبا170 نانوکلوین شروع شد.با بالا بردن تاثیر سرمایش تبخیری چگاله ای خالص در دمای 20 نانو کلوین به دست آمده در این حالت حدود 2000 اتم در چگاله باقی مانده بود. هر چه اتمها سردتر باشند این انبساط کندتر است.با استفاده از نور تشدیدی لیزر پس از تاخیری از پیش تعیین شده تصویری سایه دار از ابر اتمها به دست آمد و دما بر اساس اندازه ابر پس از این تاخیر محاسبه شد.
کترله مستقل از گروه کلرادو روی اتمهای سدیم کار می کرد.اتمهای سدیمف نور زرد را جذب و گسیل می کنند.او در سال 1990 به عنوان دانشجو به گروه پریچارد در MIT پیوست و میئولیت اصلی پروژه چگالش بوز-اینشتین در 1993 بر عهده خود گرفت.مسئله از دست رفتن اتمها در مرکز تله را کترله با کانونی کردن لیزری قوی روی مرکز تله حل کرد.نور لیزر اتمها را از این ناحیه دور نگه می دارد.اکنون تعداد اتمهای در دسترس چندین صد برابر بود،و اندازه گیری خواص چگاله امکان پذیر بود.مثلا نشان داده شد وقتی دو چگاله جدا منبسط شوند و دو ابر اتمی همپوشی  پیدا کنند،آنگاه تداخلی بسیار روشنی آشکار می شود که همدوسی امواج ماده را نشان می دهد.کترله همچنین نشان داد که بخشهایی از چگاله را می توان پی در پی از چگاله بیرون فرستاد که به صورت "قطره های BEC"" در میدان گرانش سقوط کنند.از این پدیده به عنوان لیزر اتمی ماده همدوس یاد شده است.