للعثور على بعض من أبرد الأجسام في الكون، ليس عليك أن تذهب إلى أبعد من جامعتك المحلية. هناك، ربما يستخدم أحد الفيزيائيين ضوء الليزر والمغناطيس لتبريد الذرات تحت درجة مذهلة -450 فهرنهايت. وقد يستخدمون هذه الذرات فائقة البرودة لاستشعار حتى أضعف المجالات المغناطيسية في الغرفة، أو لبناء ساعة تصل دقتها إلى جزء من كوادريليون من الثانية. لكنهم ربما لم يتمكنوا من أخذ هذه المستشعرات أو الساعات خارج مختبرهم، لأنها تميل إلى أن تكون كبيرة وهشة.

الآن، أظهر فريق من الفيزيائيين في جامعة نوتنغهام أن أجزاء الطباعة ثلاثية الأبعاد لهذه التجارب الكمومية فائقة البرودة تسمح لهم بتقليص أجهزتهم إلى ثلث حجمها المعتاد فقط. يمكن أن يفتح عملهم، الذي نُشر في مجلة  Physical Review X Quantum  في أغسطس، الباب أمام طريقة أسرع وأكثر سهولة لإنشاء إعدادات أصغر وأكثر استقرارًا ومخصصة للتجارب.

ولأنها تخضع لقواعد ميكانيكا الكم، فإن الذرات شديدة البرودة تظهر سلوكيات جديدة ومفيدة. يقول جون كيتشنج، عالم الفيزياء في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا، والذي لم يشارك في الدراسة: "إن الذرات فائقة البرودة هي تقنية أساسية تدخل في الكثير من الأدوات الدقيقة المختلفة".

"الذرات فائقة البرودة هي أجهزة استشعار ممتازة للوقت. إنها أجهزة استشعار ممتازة لما نسميه قوى القصور الذاتي، أي التسارع والدوران. إنها أجهزة استشعار ممتازة للمجالات المغناطيسية. ويضيف زميله ستيفن إيكل، الذي لم يشارك أيضًا في العمل: "إنها أجهزة استشعار ممتازة للفراغ".

ونتيجة لذلك، سعى الفيزيائيون منذ فترة طويلة إلى استخدام أجهزة ذرية فائقة البرودة في إعدادات تتراوح بين  استكشاف الفضاء ، حيث يمكنهم المساعدة في الملاحة عن طريق استشعار التغيرات في تسارع السيارة، إلى الهيدرولوجيا، حيث يمكنهم تحديد المياه الجوفية عن طريق الكشف عن سحب جاذبيتها فوق الأرض. ومع ذلك، فإن عملية تبريد الذرات بدرجة كافية للقيام بأي من هذه المهام غالبًا ما تكون معقدة وشاقة. يقول ناثان كوبر، الفيزيائي بجامعة نوتنجهام وأحد المؤلفين المشاركين في الدراسة: «بعد أن أمضيت وقتًا طويلًا كباحث تجريبي في مجال الذرات الباردة، أشعر دائمًا بالإحباط الشديد لأننا نقضي كل وقتنا في حل المشكلات التقنية».

إن مفتاح تبريد الذرات والتحكم فيها هو ضربها بضوء ليزر مضبوط بدقة. تنطلق الذرات الدافئة بسرعة مئات الأميال في الساعة، في حين  تقف الذرات شديدة البرودة  ساكنة تقريبًا . يتأكد الفيزيائيون من أنه في كل مرة يتم فيها ضرب ذرة دافئة بشعاع ليزر، يضربها الضوء بطريقة تفقد الذرة بعض الطاقة، وتتباطأ، وتصبح أكثر برودة. عادةً، يعملون على طاولة مقاس 5 × 8 أقدام مغطاة بمتاهة من المرايا والعدسات - مكونات بصرية - التي توجه الضوء وتتلاعب به أثناء انتقاله نحو ملايين الذرات، غالبًا الروبيديوم أو الصوديوم، التي يتم الاحتفاظ بها في مكان خاص. غرفة فراغ فائقة. للتحكم في مكان وجود جميع الذرات فائقة البرودة في هذه الحجرة، يستخدم الفيزيائيون المغناطيس؛ حقولهم تعمل مثل الأسوار.

بالمقارنة مع مسرعات الجسيمات التي يبلغ طولها أميالا أو التلسكوبات الكبيرة، فإن هذه الإعدادات التجريبية صغيرة. ومع ذلك، فهي كبيرة جدًا وهشة للغاية بحيث لا يمكن أن تصبح أجهزة قابلة للتسويق للاستخدام خارج المختبرات الأكاديمية. غالبًا ما يقضي الفيزيائيون أشهرًا في محاذاة كل عنصر صغير في متاهاتهم البصرية. وحتى هز المرايا والعدسات قليلًا، وهو أمر من المرجح أن يحدث في الميدان، قد يعني تأخيرًا كبيرًا في العمل. يقول كوبر: "ما أردنا تجربته والقيام به هو بناء شيء سريع جدًا في التصنيع، ونأمل أن يعمل بشكل موثوق". لذلك تحول هو ومعاونوه إلى الطباعة ثلاثية الأبعاد.

لا تشغل تجربة فريق نوتنغهام طاولة كاملة، إذ يبلغ حجمها 0.15 متر مكعب، مما يجعلها أكبر قليلًا من كومة مكونة من 10 علب بيتزا كبيرة. "إنها صغيرة جدًا جدًا. تقول سمية مدخلي، طالبة الدراسات العليا في جامعة نوتنجهام والمؤلفة الأولى للدراسة: «لقد قمنا بتقليل الحجم بنحو 70 بالمائة، مقارنة بالإعداد التقليدي». ولبنائها، انخرطت هي وزملاؤها في ما يشبه لعبة ليغو قابلة للتخصيص للغاية. وبدلاً من شراء الأجزاء، قاموا بتجميع إعداداتهم من الكتل التي قاموا بطباعتها ثلاثية الأبعاد لتتشكل تمامًا كما يريدون.

الأهم من ذلك، أن الإعداد المصغر نجح. قام الفريق بتحميل 200 مليون ذرة روبيديوم في حجرة مفرغة ومرر ضوء الليزر عبر جميع المكونات البصرية، مما أدى إلى اصطدام الضوء بالذرات. وشكلت الذرات عينة أبرد من -450 فهرنهايت، تمامًا كما فعل العلماء مع النوع الأكثر تقليدية من الأجهزة على مدار الثلاثين عامًا الماضية.

"أعتقد أن بناء نظام ذري بارد مثل هذا يعد خطوة كبيرة. تقول ألين دينكيكر، عالمة الفيزياء في معهد لايبنيز للفيزياء الفلكية بوتسدام، والتي لم تشارك في الدراسة: "لقد تمت طباعة المكونات الفردية فقط بالطباعة ثلاثية الأبعاد من قبل". إذا كانت التجارب السابقة أشبه بشراء مجموعة خاصة من مكعبات الليغو تتيح لك بناء سفينة فضاء مصممة مسبقًا، فإن النهج الذي اتبعه فريق نوتنجهام كان أشبه بتصميم سفينة الفضاء أولًا، ثم طباعة الكتل التي تتكون منها بالطباعة ثلاثية الأبعاد.

من المزايا الكبيرة لاستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد أنه يمكنك تصميم كل مكون حسب الطلب، كما يشير دينكيكر. "في بعض الأحيان يكون لديك مجرد مكون صغير ذو شكل غريب أو مساحة ذات شكل غريب. وتقول: "هنا، يمكن أن تكون الطباعة ثلاثية الأبعاد حلاً رائعًا".

تقول لوسيا هاكيرمولر، وهي مؤلفة مشاركة أخرى في الورقة، إن صنع كل قطعة وفقًا لمواصفاتها الخاصة سمح لها بالتحسين. وتقول: "نريد أن نحصل على أفضل تصميم ممكن، والمشكلة هي أننا نواجه في العادة قيودًا على البناء". "ولكن إذا كنت تستخدم أساليب الطباعة ثلاثية الأبعاد، فيمكنك بشكل أساسي طباعة أي شيء يخطر ببالك." وكجزء من عملية التحسين هذه، استخدم الفريق خوارزمية حاسوبية قاموا بتطويرها للعثور على أفضل موضع للمغناطيس. لقد عملوا أيضًا من خلال 10 تكرارات أو نحو ذلك لمكوناتهم المطبوعة ثلاثية الأبعاد حتى أتقنوها بالكامل.

تعد الدراسة الجديدة خطوة إلى الأمام في جعل هذه الأداة لأبحاث الفيزياء الأساسية ميسورة التكلفة ويمكن الوصول إليها بسهولة. يقول كوبر: «آمل أن يؤدي هذا إلى تسريع تجارب الذرات فائقة البرودة القياسية، وإضفاء الطابع الديمقراطي عليها إلى حدٍ ما، من خلال جعلها أرخص وأسرع بكثير في الإعداد». ويتكهن بأنه إذا تقطعت به السبل في جزيرة صحراوية وليس معه سوى بعض العدسات والمرايا وذرات الروبيديوم وطابعة ثلاثية الأبعاد، فيمكنه الانتقال من الصفر إلى جهاز يعمل بكامل طاقته في غضون شهر تقريبًا، أي أسرع بخمس أو ست مرات من المعتاد. بالنسبة للمدخلي، البدء من الصفر قد لا يكون مجرد سيناريو خيالي. وتقول إنها قد تعود بعد تخرجها إلى وطنها المملكة العربية السعودية، وتستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد لبدء أبحاث جديدة حول الذرة فائقة البرودة. وتضيف: "هذا مجال جديد جدًا هناك".

ويتصور كيتشينغ أيضًا أن يتم استخدام هذه الأدوات خارج الأوساط الأكاديمية، على سبيل المثال من قبل الشركات التي تصنع أجهزة استشعار تعمل بالطاقة الكمومية تلتقط المجالات المغناطيسية أو الجاذبية. قد لا توظف هذه الشركات علماء مدربين على فيزياء الكم، لكن هذا لا يهم. ويتخيلهم وهم يقومون بإعداد خطوط تجميع حيث يقوم الفنيون بتجميع الأجهزة من المكونات المطبوعة ثلاثية الأبعاد. وإذا كانت هذه الأجهزة مستقرة بما يكفي للعمل دون تعديلات مستمرة، فلا يزال بإمكان الموظفين استخدامها بثقة.

على سبيل المثال، يمكن استخدام الأجهزة الذرية التجارية فائقة البرودة من قبل المهندسين المدنيين، أو شركات النفط والغاز، أو علماء الآثار، أو علماء البراكين لرسم خريطة أفضل للتضاريس تحت الأرض، بناءً على حساسية الذرات الشديدة للجاذبية. قد تكون الذرات فائقة البرودة أيضًا عنصرًا حاسمًا في أدوات الملاحة التي تعمل حتى عندما  تكون الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS)  بعيدة المنال. يمكن استخدام الساعات الذرية فائقة البرودة لمزامنة شبكات النقل أو الاتصالات، أو لتأمين المعاملات المالية في المواقف التي تتطلب فيها كل عملية تبادل أو تجارة طابعًا زمنيًا دقيقًا للغاية.

وتخطط هاكرمولر وزملاؤها لمواصلة تحسين إعداداتهم الحالية أيضًا. "نعتقد أننا لم نستغل جميع ميزات الطباعة ثلاثية الأبعاد بشكل كامل حتى الآن. وتقول: "هذا يعني أن إعدادنا يمكن أن يكون أصغر حجمًا"، ويعتقدون أن بإمكانهم الوصول به إلى ما يقرب من نصف حجمه الحالي. يقول كوبر: "سنرى ما هي حدود ما يمكنك فعله بهذا الأمر".