سردترین ماده در جهان چیست؟

سردترین ماده‌ی جهان در قطب جنوب یا بالای قله اورست نیست، بلکه جالب است بدانید که چنین ماده‌ای در آزمایشگاه های فیزیک قرار دارد! ماده‌ای که شامل ابرهای گازی می‌شود که دمایی تنها کمی بالاتر از صفر مطلق دارند. چنین ماده‌ای تقریبا 395 میلیون بار سردتر از یخچال خانه‌ی شما، 100 میلیون بار سردتر از نیتروژن مایع و 4 میلیون بار سردتر از فضا است. اما ساختن ابرهایی به این سردی چه اهمیتی برای فیزیکدان‌ها دارد؟

درواقع دانشمندان به کمک چنین موادی با دمای پایین می‌توانند دریچه ای رو به عملکرد درونی ماده داشته باشند و در کنار آن به مهندسان اجازه می دهد تا ابزارهای فوق العاده حساسی بسازند. اما ایجاد چنین دمایی در کره‌ی زمین چگونه ممکن است؟

چطور می‌توان سردترین ماده‌ی جهان را ساخت؟

به طور خلاصه، این کار با کاهش سرعت ذرات متحرک انجام می‌پذیرد! درواقع زمانیکه در مورد دمای یک ماده صحبت می‌کنیم بحث سر حرکت مولکولی ذرات آن است. اتم هایی که جامدات، مایعات و گازها را می‌سازند همواره در حال حرکت هستند. بنابراین زمانی که اتم‌ها با سرعت بیشتری در ماده حرکت می‌کنند، ما آن ماده را داغ می‌نامیم و طبیعتا وقتی آهسته‌تر حرکت می‌کنند، آن ماده از نظر ما سرد است.

همانطور که می‌دانید به منظور سرد کردن یک جسم داغ یا گاز ما آن را در محیط سردتری مانند یخچال قرار می دهیم. در چنین حالتی مقداری از حرکت اتمی جسم داغ به محیط اطراف منتقل می‌شود و آن ماده خنک می‌گردد. اما چنین رویه‌ای برای ساخت سردترین ماده‌ی جهان یک محدودیت دارد و آن این است که حتی فضا هم برای ایجاد دماهایی به این شدت کم، بسیار گرم است. بنابراین، دانشمندان راهی برای کاهش سرعت اتم ها به طور مستقیم کشف کرده‌اند که به کمک لیزر امکان‌پذیر است.

اگرچه در اکثر مواقع انرژی موجود در پرتو‌ی لیزر اشیا را گرم می‌کند اما اگر از چنین تکنولوژی‌ای به شکل دقیق استفاده شود تکانه پرتوی لیزر می تواند اتم‌های متحرک را متوقف و عملا ماده را خنک کند. درواقع چنین رویه‌ای با کمک دستگاهی به نام تله مغناطیسی اپتیکی قابل انجام است. در این روش اتم ها به یک محفظه‌ی خلاء تزریق می شوند و میدان مغناطیسی آن‌ها را به سمت مرکز محفظه می‌کشاند. سپس پرتو لیزری که روی فرکانسی مناسب تنظیم شده است، وسط محفظه را هدف قرار می‌دهد. بنابراین اتم‌ها با جذب فوتون از پرتوی لیزر سرعتشان کم می‌شود. درواقع کاهش سرعت اتم‌ها به دلیل انتقال تکانه بین اتم‌ و فوتون است.

پس از کاهش سرعت، اتم‌ها به آرامی حرکت می‌کنند، گویی در یک مایع غلیظ به دام افتاده‌اند. چنین اثری به عنوان «ملاس اپتیکی» شناخته می‌شود. یک تله مغناطیسی نوری می تواند اتم ها را تا چند میکروکلوین خنک کند و دمای آن ها را به حدود منفی 273 درجه سانتیگراد برساند. ابداعی که در سال 1997 جایزه نوبل فیزیک را برای مبدع آن به ارمغان آورد.

هدف از سرد کردن اتم‌ها تا این حد چیست؟

به طور کلی، اتم های سرد می توانند آشکارسازهای بسیار خوبی با انرژی کم باشند که به شدت به نوسانات محیطی حساس هستند. بنابراین چنین سیستم‌هایی می‌توانند در یافتن ذخایر زیرزمینی نفت و مواد معدنی راهگشا باشند. همچنین چنین اتم‌های سردی برای ساخت ساعت های اتمی بسیار دقیق که در ماهواره های موقعیت یاب جهانی هم استفاده می‌شود، کاربردی است. در کنار آن همانطور که در ابتدای این نوشتار هم اشاره کردیم چنین سیستم‌های سردی دانش ما را در مورد خواص مواد در دماهای بسیار کم عمیق‌تر از قبل می‌کند.