กับดักแมกนีโตออปติคัลหรือ MOT เป็นกลไกหลักของฟิสิกส์อะตอมเย็น หากไม่มีการจัดเรียงลำแสงเลเซอร์และสนามแม่เหล็กที่ซับซ้อน การกระทำของการทำให้อะตอมเย็นลงจนอยู่เหนือศูนย์สัมบูรณ์ – และการสังเกตผลกระทบควอนตัมที่ปรากฎ – แทบจะเป็นไปไม่ได้เลย แต่ก่อนที่อะตอมที่เย็นจะกลายมาเป็นส่วนหนึ่งของเซ็นเซอร์ควอนตัม คอมพิวเตอร์ควอนตัม หรืออุปกรณ์อื่นๆ
ที่นำธรรมชาติของควอนตัมไปใช้งานจริง
คอกม้าเก่าขนาดใหญ่นี้ต้องกลายเป็นเหมือนม้าโพนี่ แข็งแกร่งพอที่จะทำงาน , เล็กกว่ามาก นักฟิสิกส์จากสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่ง สหรัฐอเมริกา (NIST) ได้ดำเนินการขั้นตอนสำคัญสู่เป้าหมายนี้แล้ว นำโดยWilliam McGeheeนักวิจัยใช้เลนส์แบนที่ผลิตด้วยหินเพื่อสร้างชุดประกอบออปติคัล MOT ที่มีความยาวเพียง 15 ซม. แม้ว่าอุปกรณ์นี้จะยังใหญ่เกินไปสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้อะตอมเย็น แต่ก็มีขนาดเล็กกว่า MOT ทั่วไปที่มีขนาดเท่าโต๊ะอาหารเย็น และเป็นสัญญาณว่าโฟโตนิกส์แบบบูรณาการช่วยให้สามารถออกแบบใหม่ได้อย่างไร McGehee กล่าวว่า “ท้ายที่สุดแล้ว สิ่งที่เรากำลังพยายามพัฒนาคือสิ่งที่ไม่ใช่แค่การทดลองในห้องปฏิบัติการรุ่นเล็ก “คุณต้องหาวิธีที่แตกต่างกันในการทำสิ่งเดียวกัน”
ส่วนประกอบที่ทำงานร่วมกัน เช่นเดียวกับ MOTs ทั้งหมด อุปกรณ์ของทีม NIST ใช้ลำแสงเลเซอร์ที่ปรับแต่งอย่างแม่นยำเพื่อทำให้อะตอมเย็นลงภายในบริเวณที่ลำแสงทับซ้อนกัน ลำแสงใน mini-MOT ใหม่นั้นแตกต่างจาก MOT ทั่วไป มีรูปร่างและกำกับโดยใช้องค์ประกอบออปติคัลแบบระนาบ ประการแรก แสงจากเลเซอร์จะถูกรวมเข้ากับท่อนำคลื่นนาโนบนวงจรรวมโฟโตนิก เนื่องจากลำแสงเอาต์พุตของ มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 140 µม. และการระบายความร้อนด้วยเลเซอร์ไม่มีประสิทธิภาพสำหรับลำแสงที่มีขนาดเล็กกว่าสองสามมิลลิเมตร ภารกิจต่อไปคือทำให้ลำแสงใหญ่ขึ้น การออกแบบของ NIST ทำได้โดยใช้ metasurface แบบออปติคัลที่ขยายลำแสงและให้ความเข้มสม่ำเสมอตลอดความกว้างหลังจากระยะห่าง 15 ซม. ณ จุดนี้ ลำแสงกระทบตะแกรงเลี้ยวเบนและแยกออกเป็นลำแสงที่มีความเข้มเท่ากัน แต่มีทิศทางตรงกันข้ามสามคู่ซึ่งจำเป็นสำหรับการระบายความร้อนด้วยเลเซอร์
แม้ว่าส่วนประกอบทางแสงเหล่านี้จะไม่ใหม่
แต่James McGilliganนักฟิสิกส์จาก University of Strathclyde ในสหราชอาณาจักรซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษาของ NIST รู้สึกประทับใจกับวิธีการทำงานร่วมกัน “การทับซ้อนกันของเทคโนโลยีเหล่านี้ไม่ได้ตรงไปตรงมา” เขากล่าว แม้ว่านักฟิสิกส์จะมีความคืบหน้าในการย่อขนาดองค์ประกอบอื่นๆ ของ MOT ให้เล็กลง McGilligan ตั้งข้อสังเกตว่าระบบการจัดส่งแบบออปติคัล “ยังคงเป็นองค์ประกอบที่เทอะทะและเข้าใจยากในรายการตรวจสอบการย่อขนาด” เขากล่าวว่าระบบ planar-optics ของกลุ่ม NIST เป็น “ก้าวสำคัญในเครื่องมือวัดอะตอมเย็น”
จากมินิสู่ไมโคร ในการสร้าง MOT แบบพกพาอย่างแท้จริง McGehee คิดว่าการประกอบออปติคัลจะต้องลดขนาดลงอีกประมาณ 1 ซม. การดำเนินการนี้จะยุ่งยากกับการตั้งค่าปัจจุบันของทีม NIST เนื่องจากจะหมายความว่าความเข้มของลำแสงเลเซอร์จะไม่เท่ากันในบริเวณที่มีปฏิสัมพันธ์กับอะตอมอีกต่อไป McGehee ตั้งข้อสังเกตว่าสิ่งนี้จะ “ซับซ้อน” ในการแก้ไข “ด้วยการจำลองที่เหมาะสม คุณสามารถคิดออกว่าคุณต้องการอะไรและสร้างมันขึ้นมา แต่อาจต้องใช้เวลาสองสามปี” เขากล่าว
ภาพประกอบส่วนหนึ่งของอุปกรณ์ทดลอง เซ็นเซอร์ควอนตัมมุ่งเป้าไปที่แรงโน้มถ่วงและสนามแม่เหล็ก
ถึงกระนั้นทั้งเขาและ McGilligan ก็มั่นใจว่าการหดตัวเพิ่มเติมอยู่ในการ์ด “มีความเป็นไปได้สูงที่ จะถูกดัดแปลงโดยทีมวิจัยทั่วโลกเพื่อช่วยในการย่อขนาดการทดลองอะตอมเย็นของพวกเขา” McGilligan กล่าว หากรวมกับระบบสุญญากาศขนาดกะทัดรัดเพื่อแยกอะตอมออกจากสภาพแวดล้อม เขาเสริมว่าการประกอบออปติคัลใหม่ “มีศักยภาพที่จะนำระบบอะตอมเย็นออกจากสภาพแวดล้อมในห้องปฏิบัติการและเป็นอุปกรณ์มาตราส่วนชิปที่ความแม่นยำและความแม่นยำของพวกมันสามารถทำได้ มีผลกระทบมากที่สุดต่อความสามารถทางเทคโนโลยีของเรา”
Reinhard Dörnerแห่งมหาวิทยาลัยเกอเธ่
ในแฟรงก์เฟิร์ตเห็นด้วย: “นี่เป็นงานที่ยอดเยี่ยมมาก ซึ่งผลักดันขีดจำกัดของการแก้ปัญหาด้านเวลาที่ทำได้ด้วย FEL อย่างแท้จริง นอกจากนี้ยังเป็นการปูทางไปสู่มุมมองของการพัวพันของอิเล็กตรอนในโมเลกุลในอนาคตที่มีการแก้ไขเวลา” Myxococcus xanthusเป็นแบคทีเรียในดินรูปแท่งที่มีความสามารถในการเคลื่อนที่บนพื้นผิว ภายใต้สภาวะความอดอยาก แบคทีเรียที่อพยพทีละตัวจะเปลี่ยนพฤติกรรมการเคลื่อนที่ของพวกมันและร่วมมือกันเพื่อสร้างโครงสร้างหลายเซลล์รูปโดมที่เรียกว่าร่างกายที่ออกผล อย่างไรก็ตาม ฟิสิกส์เบื้องหลังการสร้างโครงสร้างหลายชั้นเหล่านี้ยังไม่เป็นที่เข้าใจกันดีนัก
กลุ่มนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยพรินซ์ตันในสหรัฐอเมริการู้สึก ทึ่งกับโครงสร้างที่แน่นและเรียงตัวกันอย่าง หนาแน่นของอาณานิคม M. xanthus ดังกล่าว ได้ตรวจสอบฟิสิกส์ที่เป็นต้นเหตุของการก่อตัวของร่างกาย การศึกษาที่ตีพิมพ์ในNature Physicsเผยให้เห็นว่าพลวัตโดยรวมของการอพยพของอาณานิคมของแบคทีเรียนั้นคล้ายคลึงกับฟิสิกส์ที่อยู่ภายใต้ผลึกเหลวของนีมาติก
ในการบันทึกไดนามิกของกลุ่มM. xanthus ที่ขับเคลื่อนด้วยการเคลื่อนไหวที่หลากหลาย Katherine Copenhagenที่สถาบัน Lewis-Sigler สำหรับ Genomics เชิงบูรณาการ ที่มหาวิทยาลัย Princeton ได้ถ่ายภาพ อาณานิคมโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แบบสแกนด้วยเลเซอร์สแกนคอนโฟคอล โคเปนเฮเกนและหัวหน้ากลุ่มJoshua Shaevitzวางโคโลนีบนสารตั้งต้นของวุ้นในที่ที่มีสารอาหาร และใช้แสงที่สะท้อนจากพื้นผิวของอาณานิคมโดยไม่ระบุชื่อเซลล์
เนื่องจากสารอาหารมีอยู่จึงไม่ปรากฏผล อย่างไรก็ตาม นักวิจัยตั้งข้อสังเกตว่าชั้นและรูของเซลล์ใหม่ปรากฏขึ้นและหายไปเองตามธรรมชาติ ชั้นและรูเหล่านี้ปรากฏอย่างพิเศษที่จุดที่เรียกว่าข้อบกพร่องทอพอโลยี – ภาวะเอกฐานในฟิลด์การวางแนวเซลล์ที่เซลล์ที่จัดวางในทุกทิศทางมาบรรจบกัน
ข้อสังเกตเหล่านี้กระตุ้นให้นักวิจัยศึกษาพฤติกรรมส่วนรวมที่ไม่สมดุลนี้โดยใช้กรอบทางกายภาพของผลึกเหลวนีมาติกที่ใช้งานอยู่ Active nematics เป็นวัสดุประเภทหนึ่งที่ประกอบด้วยอนุภาคที่ยาวซึ่งเรียงตัวกันและสามารถเคลื่อนที่ได้ด้วยตัวเอง เช่นเดียวกับแบคทีเรีย
ในการเจาะลึกถึงลักษณะทางฟิสิกส์เชิงทฤษฎีของเนเมติกส์ที่ทำงานอยู่Ricard Alertที่Princeton Center for Theoretical Scienceทำงานร่วมกับNed Wingreenเพื่อพัฒนาทฤษฎีสำหรับอาณานิคมของแบคทีเรีย ข้อมูลการทดลองและการคาดคะเนเชิงทฤษฎีเป็นไปอย่างน่าประทับใจ
Credit : sagebrushcantinaculvercity.com saltysrealm.com sandersonemployment.com sangbackyeo.com sciencefaircenterwater.com
