سردترین ماده در جهان چیست؟

سردترین ماده‌ی جهان نه در قطب جنوب است و نه بالای قله اورست، بلکه این ماده‌ی شگفت‌انگیز در آزمایشگاه‌های فیزیک ساخته می‌شود! این ماده شامل ابرهای گاز است که دمای آن‌ها تنها کمی بالاتر از صفر مطلق است. این ماده تقریباً 395 میلیون بار سردتر از یخچال خانگی شما، 100 میلیون بار سردتر از نیتروژن مایع و 4 میلیون بار سردتر از دمای فضای خارج است. اما چرا فیزیکدان‌ها به دنبال ساختن ابرهایی به این سردی هستند؟

واقعیت این است که دانشمندان با استفاده از این مواد با دمای پایین می‌توانند به بررسی رفتار داخلی ماده پرداخته و به مهندسان کمک کنند تا ابزارهای بسیار حساسی بسازند. اما چگونه ممکن است چنین دماهایی را بر روی زمین ایجاد کرد؟

چگونه می‌توان سردترین ماده‌ی جهان را ساخت؟

به طور خلاصه، این کار با کاهش سرعت ذرات انجام می‌شود! وقتی درباره دمای یک ماده صحبت می‌کنیم، منظور ما حرکت مولکولی ذرات آن است. اتم‌هایی که مواد جامد، مایع و گاز را تشکیل می‌دهند همیشه در حال حرکت هستند. بنابراین، وقتی اتم‌ها با سرعت بیشتری حرکت می‌کنند، ما آن ماده را داغ می‌نامیم و زمانی که آهسته‌تر حرکت می‌کنند، آن ماده سرد است.

برای سرد کردن یک جسم داغ یا گاز، ما معمولاً آن را در محیط سردتری مانند یخچال قرار می‌دهیم. در این حالت، مقداری از حرکت اتمی جسم داغ به محیط اطراف منتقل می‌شود و ماده خنک می‌شود. اما این روش برای ساخت سردترین ماده جهان محدودیت دارد، زیرا حتی فضای خالی هم برای ایجاد این دماهای بسیار پایین خیلی گرم است. بنابراین، دانشمندان راهی برای کاهش سرعت اتم‌ها به‌ طور مستقیم پیدا کرده‌اند که با کمک لیزر ممکن شده است.

اگرچه معمولاً انرژی موجود در پرتو لیزر اشیا را گرم می‌کند، اما اگر به‌طور دقیق از این فناوری استفاده شود، تکانه پرتوی لیزر می‌تواند اتم‌های متحرک را متوقف کند و در نتیجه ماده را خنک کند. این فرایند با دستگاهی به نام تله مغناطیسی اپتیکی انجام می‌شود. در این روش، اتم‌ها به یک محفظه‌ی خلاء وارد می‌شوند و میدان مغناطیسی آن‌ها را به سمت مرکز محفظه می‌کشد. سپس پرتو لیزری که روی فرکانس مناسبی تنظیم شده است، وسط محفظه را هدف قرار می‌دهد. در نتیجه، با جذب فوتون‌ها از پرتوی لیزر، اتم‌ها سرعتشان کم می‌شود. در واقع کاهش سرعت اتم‌ها به دلیل انتقال تکانه بین اتم‌ها و فوتون‌ها است.

پس از کاهش سرعت، اتم‌ها به آرامی حرکت می‌کنند، گویی در یک مایع غلیظ به دام افتاده‌اند. این پدیده به نام «ملاس اپتیکی» شناخته می‌شود. یک تله مغناطیسی نوری می‌تواند اتم‌ها را تا چند میکروکلوین خنک کند و دمای آن‌ها را به حدود منفی 273 درجه سانتیگراد برساند. این ابداع در سال 1997 جایزه نوبل فیزیک را برای مخترع آن به ارمغان آورد.

هدف از سرد کردن اتم‌ها تا این حد چیست؟

به طور کلی، اتم‌های سرد می‌توانند حسگرهای بسیار خوب و حساسی باشند که به نوسانات محیطی واکنش نشان می‌دهند. بنابراین، این سیستم‌ها می‌توانند در پیدا کردن منابع زیرزمینی نفت و مواد معدنی کمک کنند. همچنین، این اتم‌های سرد برای ساخت ساعت‌های اتمی دقیق که در ماهواره‌های موقعیت‌یاب جهانی استفاده می‌شوند، کاربرد دارند. علاوه بر این، همانطور که در ابتدای این متن اشاره کردیم، این سیستم‌های سرد به ما کمک می‌کنند تا درک بهتری از خواص مواد در دماهای بسیار کم بدست آوریم.