دانشمندان رکورد سردترین دمای ثبت شده در آزمایشگاه را شکستند

دانشمندان با رها کردن مخزنی از گاز «بوز-اینشتین» در یک برج خنک‌کننده دارای میدان مغناطیسی با ارتفاع 120 متر، موفق شدند به دمای ۳۸ ترلیونیوم درجه بالاتر از صفر مطلق دست یابند.

تیمی از محققین آلمانی در حال بررسی خصوصیات کوانتومی حالتی از ماده بودند که به اصطلاح به آن حالت پنجم ماده می‌گویند. حالت پنجم، گاز رقیق بوزونی – ذراتی با عدد اسپینی صحیح – است که تا دمای نزدیک به دمای صفر مطلق، معادل با دمای منفی 273.15 درجه سلسیوس سرد می‌شود. از آنجا که این گاز – آن را میعانات بوز- اینشتین می‌نامیم – رفتاری همانند اتم‌های ماده معمولی از خود نشان می‌دهد، به موضوعی جذاب برای فیزیکدانان کوانتومی علاقه‌مند به ذرات زیراتمی تبدیل شده است.

در این آزمایش رکوردشکن، دانشمندان ابری از حدود 100,000 اتم روبیدیوم گازی را در میدان مغناطیسی محفظه خلا به دام انداختند. سپس آن‌ها اتاق را به اندازه 2 میلیاردم درجه سلسیوس نسبت به صفر مطلق، سرد کردند که این کار به نوبه خود یک رکورد جهانی محسوب می‌شود.

اما این سرد شدن، به اندازه‌ای نبود که محدودیت‌های فیزیکی مورد نظر دانشمندان را پشت سر بگذارد. برای سردتر شدن، آن‌ها باید به تقلید از شرایط اعماق فضا می‌پرداختند. سردترین مکان طبیعی شناخته شده در جهان، سحابی بومرنگ است که در صورت فلکی قنطورس واقع شده است و فاصله‌ای 5000 سال نوری از زمین دارد. طبق اعلام آژانس فضایی اروپا، دمای متوسط این سحابی منفی 272 درجه سلسیوس یا حدود یک کلوین است.

 بنابراین، تیم محققان به سراغ برج خنک‌کننده Bremen متعلق به آژانس فضایی اروپا در مرکز تحقیقاتی گرانش دانشگاه برمن آلمان رفت. آن‌ها محفظه حاوی گاز مذکور را به درون برج انداختند و با خاموش و روشن کردن سریع میدان مغناطیسی،  به گاز اجازه دادند تا در شرایطی که نیروی جاذبه وجود ندارد، شناور شود. بدین ترتیب حرکت مولکولی اتم‌های روبیدیوم کند شد. این پژوهش در ژورنال Physical Review Letters گزارش داد که BEC حاصله برای حدود دو ثانیه در 38 پیکوکلوین – 38 تریلیون یک کلوین – باقی مانده است و بدین ترتیب رکورد سردترین دما شکسته شد. رکورد پیشین 36 میلیونم کلوین بود که توسط دانشمندان موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) در کلرادو به کمک لیزرها بدست آمده بود.

دما، اندازه‌گیری میزان ارتعاش مولکولی است؛ هرچه مجموعه مولکول‌ها بیشتر جنب‌وجوش کنند، دمای آن ماده بیشتر است. صفر مطلق نقطه‌ای است که در آن تمام حرکات مولکولی متوقف می‌شود. دانشمندان مقیاس دیگری را به منظور بررسی میزان دمای سرد ایجاد کرده‌اند که به آن مقیاس کلوین می‌گویند و در آن، صفر کلوین مطابق با صفر مطلق است.

هرچه به دمای صفر مطلق بیشتر نزدیک می‌شویم، رخدادهای عجیب‌تری بروز پیدا می‌کنند. به عنوان مثال، براساس تحقیقی که در سال 2017 در مجله Nature Physics به چاپ رسید، نور به مایعی تبدیل می‌شود که می‌توان آن را در ظرف ریخت. براساس مطالعه دیگری که در همان سال و در مجله Nature Communications منتشر شد، هلیوم فوق سرد در دمای بسیار پایین فاقد اصطکاک می‌شود. در آزمایشگاه اتمی ناسا نیز دانشمندان با حالت‌هایی در دمای نزدیک به صفر مطلق روبرو شده‌اند که اتم می‌تواند به صورت همزمان در دو مکان وجود داشته باشد.