يمكن استخدام تقنية تصوير جديدة، والتي التقطت ذرات الليثيوم المجمدة وتحولها إلى موجات كمومية، لاستكشاف بعض الجوانب غير المفهومة في عالم الكم.
للمرة الأولى على الإطلاق، تمكن الفيزيائيون من التقاط صورة واضحة لذرات منفردة تتصرف كالموجة.
تُظهر الصورة نقاطًا حمراء حادة من ذرات متألقة تتحول إلى نقاط غامضة من حزم موجية، وهي دليل مذهل على فكرة وجود الذرات كجزيئات وموجات، وهو أحد الأركان الأساسية لميكانيكا الكم.
قام العلماء الذين اخترعوا تقنية التصوير بنشر النتائج التي توصلوا إليها على خادم ما قبل الطباعة arXiv، لذلك لم تتم مراجعة أبحاثهم بعد من قبل النظراء.
وكتب الباحثون في ورقتهم البحثية: "تظل الطبيعة الموجية للمادة أحد الجوانب الأكثر إثارة للانتباه في ميكانيكا الكم". ويضيفون أن تقنيتهم الجديدة يمكن استخدامها لتصوير أنظمة أكثر تعقيدًا، مما يعطي نظرة ثاقبة لبعض الأسئلة الأساسية في الفيزياء.
تم اقتراح ازدواجية الجسيمات الموجية لأول مرة من قبل الفيزيائي الفرنسي لويس دي برولي في عام 1924 وتوسع فيها إروين شرودنغر بعد ذلك بعامين، وتنص على أن جميع الأجسام ذات الحجم الكمي، وبالتالي كل المادة، موجودة كجسيمات وموجات في نفس الوقت.
عادةً ما يفسر الفيزيائيون معادلة شرودنغر الشهيرة على أنها تنص على أن الذرات موجودة كحزم من الاحتمالية الموجية في الفضاء، والتي تنهار بعد ذلك إلى جسيمات منفصلة عند مراقبتها. على الرغم من أنها غير بديهية بشكل محير، إلا أن هذه الخاصية الغريبة للعالم الكمي قد تمت مشاهدتها في العديد من التجارب.
لتصوير هذه الازدواجية الغامضة، قام الفيزيائيون أولاً بتبريد ذرات الليثيوم إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق عن طريق قصفها بالفوتونات، أو جسيمات الضوء، من الليزر لحرمانها من زخمها. بمجرد تبريد الذرات، يقوم المزيد من أشعة الليزر بحبسها داخل شبكة بصرية كحزم منفصلة.
مع تبريد الذرات وحصرها، قام الباحثون بشكل دوري بإيقاف تشغيل الشبكة الضوئية وتشغيلها، مما أدى إلى توسيع الذرات من حالة محصورة قريبة من الجسيم إلى حالة تشبه الموجة، ثم العودة مرة أخرى.
سجلت كاميرا مجهرية الضوء المنبعث من الذرات في حالة الجسيم في وقتين مختلفين، حيث تتصرف الذرات مثل الموجات بينهما. من خلال تجميع العديد من الصور، قام الباحثون ببناء شكل هذه الموجة ولاحظوا كيفية توسعها مع مرور الوقت، في توافق تام مع معادلة شرودنغر
"تتكون طريقة التصوير هذه من العودة إلى الشبكة لتسليط كل حزمة موجية في بئر واحدة لتحويلها إلى جسيم مرة أخرى - لم تعد موجة بعد الآن،" كما قال طارق يفساح، المؤلف المشارك في الدراسة، وهو فيزيائي في المركز الوطني الفرنسي. للبحث العلمي والمدرسة العليا في باريس، حسبما صرح به موقع Live Science. "يمكنك رؤية طريقة التصوير لدينا كوسيلة لأخذ عينات من كثافة الدالة الموجية، لا تختلف عن وحدات البكسل الموجودة في كاميرا CCD." تعد كاميرا CCD نوعًا شائعًا من الكاميرات الرقمية التي تستخدم جهازًا مقترنًا بالشحن لالتقاط صورها.
يقول العلماء أن هذه الصورة مجرد عرض بسيط. وستكون خطوتهم التالية هي استخدامه لدراسة أنظمة الذرات المتفاعلة بقوة والتي لا تزال غير مفهومة جيدًا.
وقال يفساه: "دراسة مثل هذه الأنظمة يمكن أن تحسن فهمنا لحالات المادة الغريبة، مثل تلك الموجودة في قلب النجوم النيوترونية شديدة الكثافة، أو بلازما كوارك غلوون التي يعتقد أنها كانت موجودة بعد وقت قصير من الانفجار الكبير".