چیدن آرایه‌های بدون نقص اتمی
محققان در مدرسه تحصیلات تکمیلی انستیتو اپتیک در CNRS و دانشگاه ساکلای فرانسه روش جدیدی را جهت باز چینش اتم‌های سرد به طور جدا-جدا در یک آرایه کاملاً منظم توسعه داده‌اند. از تکنیک آنها می‌توان جهت شبیه سازی سیستم‌های کوانتومی با استفاده از اتم‌های خنثی واقع در آرایه‌های دو بعدی از تله‌های نوری استفاده کرد.
باز چینش آرایه تصادفی تا رسیدن به طرح CNRS
تله‌ها یا انبرک‌های نوری با دام اندازی اتم‌ها، مولکول‌ها یا ذرات شفاف کوچک در نزدیکی محل کانونی باریکه لیزری کار می‌کنند. این تکنیک به ذرات تنها اجازه حرکت و دستکاری از طریق نور را می‌دهد. آنها نقش‌های بارزی را در دستکاری ویروس‌ها و پروتیین‌ها بازی کرده‌اند که جهت تحقیقات پزشکی و همچنین جهت مونتاژ نانو ماشین‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. نگهداری اتم‌های سرد در آرایه‌ای شامل تله‌های نوری برای فیزیکدان‌هابسیار کارآمد بوده است چرا که این آرایه‌ها می‌توانند فیزیک کوانتومی مواد جامد را شبیه سازی کنند. اگرچه خلق آرایه‌ای از چنین اتم‌ها خود به عنوان یک چالش همچنان باقی است.
رسیدن به نظم از بی نظمی
اکنون Thierry Lahaye و همکارنش بر نکته‌ی ظریف و بسیار مهمی از تله‌های نوری غلبه کرده‌اند که استفاده از این تکنیک را جهت داشتن آرایه کاملی از تک اتم‌های سرد مشکل می‌ساخت. به بیان او، “وقتی با اتم‌های سرد کار می‌کنیم، مشکلی که پیش روست این است که هر تله نوری به طور تصادفی در آرایه شکل می‌گیرد، و بنابراین تنها ۵۰ درصد احتمال پر بودن با یک اتم وجود دارد. اما ما به طور ایده ال به دنبال آرایه‌هایی هستیم که به طور کامل پر شده‌اند یعنی آرا یه‌ای که هر تله با احتمال ۱۰۰ درصد شامل یک تک اتم باشد. اگر چه محققان به دنبال حل این مسئله از طریق یک سری از راه‌های قبلی بوده‌اند، هیچ یک از آنها به کارآمدی و فراگیری آنچه که ما در این تحقیق یافته‌ایم، نبوده است.
شیطانک ماکسول
راه حل Lahaye و همکارانش برای حل این مسئله از طریق چیدن آرایه بی نظمی از اتم‌ها در آرایه‌های منظم با استفاده از پتانسیل‌های اپتیکی بود. محققان از یک تعدیل کننده نوری فضایی جهت ایجاد کردن آرایه دو بعدی دلخواه تا ماکزیمم ۱۰۰ تله استفاده کردند. هر تله با شعاعی در حد یک میکرومتر خلق شد، به طوری که فاصله جدایی این تله‌ها از هم سه میکرون بود. این تله ها بطور تصادفی با احتمال ۵۰ درصد توسط اتم‌های روبیدیم ۸۷ پر شدند. این تیم سپس از انبرک‌های نوری پرسرعت استفاده کردند تا اتم‌ها در آرایه بی نظم را مجدداً در یک پیکر بندی فضایی از پیش انتخابی مورد چیدن قرار دهند. (شکل را ببینید) محققان این فرآیند را به نحوه عملکرد شیطانک ماکسول ربط داده اند. “اگرچه تنها آنتروپی وابسته به موقعیت‌های اتمی آرایه از بین رفته است، آنتروپی بیشتری که وابسته به حرکت هر اتم در هر تله است بدون تغییر باقی می‌ماند. اشغال سایت‌های آرایه با روشن کردن سیستم با نور و سپس مشاهده فلوئورسانس اتم‌های روبیدیم با استفاده از یک دوربین CCD مشخص شده است.
شبیه سازهای کوانتومی
به بیان محققین، این تکنیک می‌تواند جهت شبیه سازی تنوعی از سیستم‌های کوانتومی شامل آهنرباهای کوانتومی مورد استفاده قرار گیرد. به گفته Lahaye “ما هم اکنون به دنبال انجام این نوع از آزمایش‌ها با استفاده از این تکنیک هستیم، چنان چه با ترکیب کردن فعالیت قبلی‌مان که در آنها اتم‌های به دام افتاده را به حالت‌های (ریدبرگ) شدیداً برانگیخته تحریک می‌کردیم تا مدل کوانتومی آیزینگ (که آهنرباهای ایده آل را توصیف می‌کند) را شبیه سازی کنیم. ما همچنین در پی استفاده از این تکنیک “چیدمان اتم-اتم” هستیم تا به شبیه سازی کوانتومی آهنرباهای ناکام با مقایسه آنچه که در هندسه‌های مختلف مانند شبکۀ مربعی یا مثلثی رخ می‌دهد، بپردازیم.
نسخه اولیه‌ای از این مقاله در مجله ساینس نمایه شده است.
منبع: physicsworld
