หนึ่งในแรงผลักดันที่อยู่เบื้องหลังการพัฒนากลศาสตร์ควอนตัมในตอนต้นของศตวรรษที่ผ่านมาคือความต้องการที่จะเข้าใจว่าเหตุใดอะตอมจึงปล่อยแสงออกมาเฉพาะในช่วงความยาวคลื่นหนึ่งเท่านั้น หลังจากนั้นไม่นาน กลศาสตร์ควอนตัมถูกนำไปใช้กับโมเลกุลและของแข็ง การเคลื่อนที่ไปในทิศทางอื่น มันถูกนำไปใช้ทำนายคุณสมบัติของอนุภาคมูลฐาน โดยเฉพาะอิเล็กตรอน กลศาสตร์
ควอนตัม
ประสบความสำเร็จอย่างมากในขอบเขตเหล่านี้ทั้งหมด อันที่จริง ควอนตัมอิเล็กโทรไดนามิกส์ ทฤษฎีที่ว่าแสงและสสารมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไร เป็นทฤษฎีที่ทรงพลังและแม่นยำที่สุดในฟิสิกส์ทั้งหมด แต่ที่น่าทึ่งยิ่งกว่าก็คือข้อเท็จจริงที่ว่าทฤษฎีควอนตัมยังคงเป็นที่สนใจของนักวิจัย อาจคิดได้ว่า 100 ปีหลังจาก
ได้รับการพัฒนา จะมีเพียงเล็กน้อยที่เราไม่รู้เกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัม ไม่มีอะไรจะเพิ่มเติมจากความจริง ความสนใจในกลศาสตร์ควอนตัม ทั้งในเชิงทฤษฎีและเชิงทดลอง – น่าจะมากขึ้นกว่าที่เคยเป็นมา
ในบทความนี้ เราจะมุ่งความสนใจไปที่แง่มุมหนึ่งของเรื่องรักๆ ใคร่ๆ ระหว่างนักฟิสิกส์
และกลศาสตร์ควอนตัม นั่นคือการทดลองที่อะตอมเดี่ยวถูกขังอยู่ในกล่องหรือช่องเล็กๆ ที่มีโฟตอนโดยเฉลี่ยเพียงตัวเดียว ขณะนี้นักฟิสิกส์ปรมาณูสามารถสังเกตการเคลื่อนที่ของอะตอมเดี่ยวแบบเรียลไทม์ด้วยความละเอียดเชิงพื้นที่และเชิงเวลาสูง เพื่อสร้างวิถีโคจรของมันใหม่และสำรวจกองกำลังแสง
ที่ไม่รู้จักมาก่อน การนำ “แหนบออปติคัลโฟตอนเดี่ยว” ดังกล่าวมาใช้จริงกำลังเปิดโอกาสใหม่ในการควบคุมสถานะควอนตัมภายในและภายนอกของอะตอม การทำให้โมเลกุลเย็นลง และการประมวลผลข้อมูลควอนตัม การกักขังปรมาณูแนวคิดที่ว่าอะตอมสามารถถูกดักจับได้ด้วยโฟตอนเดี่ยวในโพรงนั้น
ถูกเสนอขึ้นในปี 1991 ทั้งสองกลุ่มเสนอให้ปล่อยอะตอมเข้าไปในโพรงไมโครเวฟ ซึ่งมันอาจจะถูกขังอยู่ในสนามที่ผลิตโดยโฟตอนเดียว การดักจับอาจเกิดขึ้นได้เมื่อความลึกศักย์มีมากกว่าพลังงานจลน์ของอะตอม ความลึกของศักย์เกี่ยวข้องกับรากที่สองของความหนาแน่นพลังงานของโฟตอนในโพรง
แต่พลังงาน
ของโฟตอนไมโครเวฟมีขนาดเล็กและปริมาตรของโพรงซึ่งกำหนดโดยความยาวคลื่นนั้นมีขนาดใหญ่ เห็นได้ชัดว่ากับดักที่สร้างโดยไมโครเวฟนั้นตื้นเกินไปที่จะจับอะตอมที่ตกลงมาจากโพรงภายใต้แรงโน้มถ่วง กุญแจสำคัญในการสร้างกับดักที่เล็กลงและลึกขึ้นคือการแทนที่ไมโครเวฟด้วยโฟตอนแสง
ซึ่งมีความยาวคลื่นสั้นกว่ามาก ปัจจุบันมีการใช้แสงที่มีความเข้มสูงเป็นประจำเพื่อควบคุมการเคลื่อนที่ของอนุภาคคอลลอยด์ เซลล์ที่มีชีวิต และอะตอม เป็นต้น “แหนบออปติคัล” เหล่านี้สามารถดักจับวัตถุในบริเวณโฟกัสของลำแสงเลเซอร์ นอกจากนี้ เลเซอร์ยังใช้เพื่อทำให้อะตอมช้าลงหรือ “เย็นลง”
ซึ่งเป็นวิธีการที่พบการใช้งานอย่างแพร่หลายในการวิจัยพื้นฐานและประยุกต์ ตัวอย่างเช่น สถานะควอนตัมที่แปลกใหม่ที่เรียกว่าคอนเดนเสทของโบส-ไอน์สไตน์ นาฬิกาอะตอมที่มีความแม่นยำสูง และเซ็นเซอร์การหมุนและแรงโน้มถ่วงที่ไวเป็นพิเศษล้วนใช้อะตอมเย็น ไอออนที่ถูกกักด้วยเลเซอร์
ยังเป็น
ตัวเลือกที่สำคัญสำหรับมาตรฐานความถี่ออปติกหรือคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ปรับขนาดได้ ซึ่งโดยหลักการแล้วอาจมีประสิทธิภาพดีกว่าคอมพิวเตอร์ทั่วไปสำหรับงานบางอย่าง อย่างไรก็ตาม การทดลองทั้งหมดนี้ใช้โฟตอนจำนวนมากเพื่อควบคุมการเคลื่อนที่ของอะตอม เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วสนาม
ของโฟตอนเดียวไม่แรงพอที่จะดักจับอะตอมได้ และไม่มีการทดลองใดที่ไวพอที่จะติดตามการเคลื่อนที่ของอะตอมเดี่ยวในแบบเรียลไทม์ อย่างไรก็ตาม สถานการณ์นี้ได้เปลี่ยนไปเมื่อเร็วๆ นี้ เนื่องจากการผสมผสานระหว่างเทคนิคการระบายความร้อนด้วยเลเซอร์และการดักจับด้วยวิธีการจากคาวิตี้ควอนตัม
อิเล็กโทรไดนามิกส์ (QED) ทศวรรษที่ผ่านมามีความก้าวหน้าอย่างมากในการจัดการกับคุณสมบัติทางแสงของอะตอมโดยใช้ช่องที่ทำจากกระจกคุณภาพสูง ตอนนี้ สนามแสงภายในช่องแสงเล็กๆ ที่มีผนังสะท้อนแสงสูงสามารถดักจับอะตอมที่เคลื่อนที่ช้าได้ เมื่อต้นปีในเมือง ประเทศเยอรมนี รายงานว่า
การผสมผสานเทคนิคเฉพาะนี้ทำให้สามารถดักจับและติดตามอะตอมที่เคลื่อนที่เพียงตัวเดียวในช่องแสง ทั้งสองกลุ่มใช้กระจกสะท้อนแสงสูงเพื่อสร้างช่องแสงที่มีชั้นเชิงสูง ซึ่งแสงมีจำนวนรอบการเดินทางเกือบทำลายสถิติ ในการทดลองเหล่านี้ โดยเฉลี่ยแล้วโพรงมีโฟตอนเพียงหนึ่งตัว
และด้วยเหตุนี้จึงทำหน้าที่เป็นชุดแหนบออปติคัลโฟตอนเดี่ยว การตรวจจับอะตอมเดี่ยวสามารถตรวจจับตัวอย่างอะตอมขนาดใหญ่ได้โดยใช้แสงเมื่อพลังงานของลำแสงตรงกับความแตกต่างของพลังงานระหว่างระดับอิเล็กทรอนิกส์สองระดับในอะตอม (เช่น เมื่อแสงสะท้อนกับการเปลี่ยนผ่านของอะตอม)
อะตอมจะดูดกลืนแสงและทำให้การไหลของโฟตอนที่ส่งผ่านตัวอย่างลดลง ผลกระทบนี้มีมากและสามารถวัดได้ง่ายเมื่อตัวอย่างประกอบด้วยอะตอมอย่างน้อยสองสามพันอะตอม แต่การตรวจจับเพียงอะตอมเดียวนั้นไม่ตรงไปตรงมา โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การลดทอนของลำแสงเนื่องจากการมีอยู่
ของอะตอมเดี่ยวนั้นน้อยเกินกว่าจะมองเห็นได้ท่ามกลางความผันผวนหรือ “สัญญาณรบกวน” ในความเข้มของเลเซอร์ ปัญหาสัญญาณรบกวนจะรุนแรงน้อยกว่าในการถ่ายภาพด้วยแสงฟลูออเรสเซนซ์ เมื่อไอออนเดี่ยวหรืออะตอมที่เหลือในกับดักดูดซับและปล่อยโฟตอน แม้ว่าเทคนิคการถ่ายภาพนี้
จะกลายเป็นกิจวัตรไปแล้ว แต่สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าสัญญาณที่มีอยู่นั้นถูกจำกัดอย่างมากโดยอัตราการกระเจิงของโฟตอนและมุมทึบของระบบตรวจจับ โดยปกติแล้วจะต้องใช้เวลารวมนานในการสังเกตอนุภาค ซึ่งทำให้รูปแบบการตรวจจับไม่เหมาะสำหรับการติดตามการเคลื่อนที่ของอะตอมเดี่ยว
ที่มีความละเอียดเชิงพื้นที่และเชิงเวลาสูง
credit : เว็บแท้ / ดัมมี่ออนไลน์
