تتيح تقنية تصوير جديدة للعلماء تحديد الموقع ثلاثي الأبعاد للذرات الفردية داخل شبكة بصرية لأول مرة، متجاوزة الطرق السابقة التي توفر صورًا ثنائية الأبعاد فقط. يمكن لهذه التقنية، التي طورها فريق من جامعة بون بألمانيا وجامعة بريستول بالمملكة المتحدة، تحسين دقة أجهزة المحاكاة الكمومية القائمة على الذرة والمساعدة في تطوير مواد كمومية جديدة.

يوضح: «نحن الآن قادرون على التقاط لقطة واحدة للذرات في شبكة بصرية ورؤية مكانها بالضبط في الأبعاد الثلاثة جميعها». كاري ويدنر و أندريا ألبيرتي، الذي شارك في قيادة تطوير هذه التقنية. "كانت تقنيات الكشف البصري السابقة مقتصرة على التقاط صور "مسطحة" للذرات، لكن الذرات لا تعيش في عالم مسطح".

تبدأ التجارب على الذرات في الشبكات الضوئية عادةً باستخدام ضوء الليزر لتبريد الذرات إلى درجات حرارة أعلى بقليل من الصفر المطلق. يؤدي هذا إلى إبطائهم إلى حد التوقف تقريبًا ويسمح لهم بالوقوع في فخ موجة دائمة من ضوء الليزر - الشبكة. وبمجرد احتجازها، تتعرض الذرات لشعاع إضافي من ضوء الليزر مما يجعلها تتألق. ومن خلال تصوير هذا التألق، يستطيع الباحثون تحديد موضع الذرات.

تُعرف عملية التصوير هذه باسم الفحص المجهري للغاز الكمي، وقد تم تطويرها منذ أكثر من عقد من الزمن على يد فيزيائيين في جامعة هارفارد في الولايات المتحدة وفي معهد ماكس بلانك للبصريات الكمومية في ألمانيا. ومع ذلك، فإن الطريقة القياسية توفر فقط إحداثيات x وy لكل ذرة. وكانت المعلومات المتعلقة بموقع الذرات في الاتجاه z - أي المسافة التي تفصلها عن الهدف داخل نظام التصوير - غير متوفرة.

تغيير المرحلة

وتعالج الطريقة الجديدة هذه المشكلة عن طريق أخذ الضوء المنبعث من ذرات الفلورسنت وتعديله قبل وصوله إلى الكاميرا. وبشكل أكثر تحديدًا، تغير هذه الطريقة طور مجال الضوء المنبعث بحيث تظهر صورة الذرة وكأنها تدور في الفضاء كدالة لموضعها على طول خط رؤية نظام التصوير.

يوضح ألبيرتي: "بدلاً من البقع الدائرية النموذجية التي يتم إنتاجها عادة في الفحص المجهري للغاز الكمي، تنتج واجهة الموجة المشوهة شكلاً دمبلًا على الكاميرا يدور حول نفسها". "الاتجاه الذي يشير إليه هذا الدمبل يعتمد على المسافة التي يجب أن يقطعها الضوء من الذرة إلى الكاميرا."

ويضيف أن الدمبل يعمل إلى حد ما مثل إبرة البوصلة، مما يسمح للباحثين بقراءة الإحداثيات z وفقًا لاتجاهها. ديتر ميشيده، الذي يقود مختبر بون حيث جرت التجارب.

فكرة لها تاريخ طويل

وفقا لويدنر، جاءت الفكرة الأصلية للدراسة ويليام مورنر و رافائيل بيستون في جامعات ستانفورد و كولورادو، على التوالى. ويضيف ألبيرتي أنه من "الرائع" أنه لم يفكر أحد من قبل في استخدام مرحلة مجال الضوء للحصول على معلومات حول الموقع z للجسيم الباعث للضوء. ويقول إن التحكم في مرحلة مجال الضوء ليس بالأمر الجديد بالتأكيد.

"إن لها في الواقع تاريخًا طويلًا: في الواقع، للحصول على صور واضحة (وليست ضبابية)، تم إنشاء جميع أنظمة التصوير المصممة جيدًا لجعل مرحلة وصول جميع أشعة الضوء إلى سطح الكاميرا (أو شبكية العين في أعيننا) نفس الشيء – وهذا هو مبدأ فيرما الشهير. "إن مساواة كل اختلافات الطور هذه هي ما يصحح الانحرافات البصرية. وهذا هو ما نفعله بشكل أساسي عندما نرتدي النظارات لتحسين رؤيتنا.

ويضيف ألبيرتي أن أحد أكبر التحديات التي واجهت هذه التقنية هو العثور على مجرب قادر على العمل بدوام كامل لتحقيق هذه التقنية. يقول: "كنا محظوظين لأن تانجي ليجراند، طالب الماجستير، قرر خوض هذا التحدي". "لولاه، لن نعلن عن نتائجنا الناجحة اليوم."

مواقع دقيقة مع صورة واحدة

إن القدرة على تحديد المواضع ثلاثية الأبعاد للذرات بدقة من خلال صورة واحدة قد تكون مفيدة في عدة سياقات. يمكن أن يسهل تحفيز تفاعلات محددة بين الذرات، وقد يساعد العلماء على تطوير مواد كمومية جديدة ذات خصائص خاصة. يقترح فايدنر: "يمكننا دراسة أنواع التأثيرات الميكانيكية الكمومية التي تحدث عندما يتم ترتيب الذرات بترتيب معين". "هذا من شأنه أن يسمح لنا بمحاكاة خصائص المواد ثلاثية الأبعاد إلى حد ما دون الحاجة إلى تركيبها."

ميزة أخرى هي أن هذه التقنية، والتي تم تفصيلها في مراجعة البدنية أ، عام جدًا. يقول فايدنر: "يمكن تطبيق طريقتنا على العديد من الأنظمة، بما في ذلك الجزيئات والأيونات وأي باعث كمي". "نأمل أن نرى هذه الطريقة مطبقة في جهود المحاكاة الكمومية ثلاثية الأبعاد حول العالم."

على المدى الطويل، يقول الباحثون إن "حلمهم" هو إعادة بناء المواقع ثلاثية الأبعاد لمصفوفات كبيرة تحتوي على عدة آلاف من الذرات. وأوضحوا أن هذه المصفوفات الكبيرة تتطلب مجال رؤية واسعًا، وهو ما يستلزم انحرافات بصرية. ويقولون: "نأمل أن تتمكن أساليب إعادة البناء المحسنة من التعامل مع هذه الانحرافات وبالتالي توسيع مجال الرؤية الذي يمكن تطبيق تقنيتنا عليه". "قد تساعد أيضًا في العثور على المواضع ثلاثية الأبعاد للذرات الموجودة فوق بعضها البعض في شبكات أكثر كثافة."

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/new-method-pinpoints-the-3d-location-of-cold-atoms-in-a-lattice/