เพื่อค้นหาบางอย่าง ในบรรดาวัตถุที่เย็นที่สุดในจักรวาล คุณไม่จำเป็นต้องไปไกลกว่ามหาวิทยาลัยในพื้นที่ของคุณมากนัก ที่นั่น นักฟิสิกส์อาจใช้แสงเลเซอร์และแม่เหล็กเพื่อทำให้อะตอมเย็นลงที่อุณหภูมิต่ำกว่า -450 องศาฟาเรนไฮต์ที่น่าทึ่ง พวกเขาอาจใช้อะตอมที่เย็นจัดเหล่านี้เพื่อตรวจจับแม้แต่สนามแม่เหล็กที่อ่อนแอที่สุดในห้อง หรือเพื่อสร้างนาฬิกาที่แม่นยำภายในหนึ่งในสี่ล้านล้านวินาที แต่พวกเขาอาจไม่สามารถนำเซ็นเซอร์หรือนาฬิกาเหล่านี้ออกไปนอกห้องแล็บได้ เนื่องจากพวกมันมักจะมีขนาดใหญ่และเปราะบาง

ขณะนี้ ทีมนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยนอตติงแฮมได้แสดงให้เห็นว่าชิ้นส่วนการพิมพ์ 3 มิติสำหรับการทดลองควอนตัมแบบเย็นพิเศษเหล่านี้ ช่วยให้สามารถลดขนาดอุปกรณ์ลงเหลือเพียงหนึ่งในสามของขนาดปกติ งานของพวกเขาซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร  Physical Review X Quantum  ในเดือนสิงหาคม สามารถเปิดประตูสู่วิธีที่รวดเร็วและเข้าถึงได้มากขึ้นในการตั้งค่าการทดลองให้เล็กลง มีเสถียรภาพมากขึ้น

เนื่องจากเป็นไปตามกฎของกลศาสตร์ควอนตัม อะตอมที่เย็นจัดจึงมีพฤติกรรมใหม่และมีประโยชน์ “อะตอมที่เย็นจัดเป็นเทคโนโลยีสำคัญที่ใช้กับเครื่องมือความแม่นยำต่างๆ มากมาย” จอห์น คิทชิง นักฟิสิกส์จากสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ ซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับการศึกษากล่าว

“อะตอมที่เย็นจัดเป็นตัวตรวจจับเวลาที่ดีเยี่ยม พวกมันเป็นเซ็นเซอร์ที่ยอดเยี่ยมของสิ่งที่เราเรียกว่าแรงเฉื่อย ซึ่งก็คือความเร่งและการหมุน พวกมันเป็นเซ็นเซอร์ที่ยอดเยี่ยมของสนามแม่เหล็ก และพวกมันเป็นเซ็นเซอร์สุญญากาศที่ยอดเยี่ยม” Stephen Eckel เพื่อนร่วมงานของเขาซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับงานนี้กล่าวเสริม

ด้วยเหตุนี้ นักฟิสิกส์จึงพยายามใช้อุปกรณ์อะตอมเย็นพิเศษในสภาพแวดล้อมต่างๆ มานานแล้ว ตั้งแต่  การสำรวจอวกาศซึ่งพวกเขาสามารถช่วยในการนำทางโดยการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงในการเร่งความเร็วของยานพาหนะ ไปจนถึงอุทกวิทยา ซึ่งพวกเขาสามารถระบุตำแหน่งน้ำใต้ดินโดยการตรวจจับแรงโน้มถ่วงของมันเหนือพื้นดิน อย่างไรก็ตาม กระบวนการทำให้อะตอมเย็นพอที่จะทำงานใดๆ เหล่านี้มักจะซับซ้อนและลำบาก “จากการเป็นนักทดลองอะตอมเย็นมาเป็นเวลานาน ฉันหงุดหงิดอยู่เสมอที่เราใช้เวลาทั้งหมดแก้ไขปัญหาทางเทคนิค” นาธาน คูเปอร์ นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยน็อตติงแฮม และหนึ่งในผู้เขียนร่วมของการศึกษานี้ กล่าว

กุญแจสำคัญในการระบายความร้อนและการควบคุมอะตอมคือการทำให้พวกมันโดดเด่นด้วยแสงเลเซอร์ที่ได้รับการปรับแต่งอย่างประณีต อะตอมอุ่นปะทะกันด้วยความเร็วหลายร้อยไมล์ต่อชั่วโมง ในขณะที่  อะตอมที่เย็น จัดจะนิ่งเกือบนิ่ง นักฟิสิกส์ตรวจสอบให้แน่ใจว่าทุกครั้งที่อะตอมอุ่นถูกโจมตีด้วยลำแสงเลเซอร์ แสงจะส่องเข้าไปในลักษณะที่อะตอมจะสูญเสียพลังงาน ช้าลง และเย็นลง โดยทั่วไปแล้ว พวกมันทำงานบนโต๊ะขนาด 5 x 8 ฟุตที่ปกคลุมไปด้วยเขาวงกตที่มีกระจกและเลนส์ ซึ่งเป็นส่วนประกอบด้านทัศนศาสตร์ ซึ่งจะนำทางและควบคุมแสงในขณะที่มันเคลื่อนที่ไปยังอะตอมนับล้าน ซึ่งมักจะเป็นรูบิเดียมหรือโซเดียม ซึ่งถูกเก็บไว้ในสภาพพิเศษ ห้องสุญญากาศสูงพิเศษ เพื่อควบคุมตำแหน่งของอะตอมที่เย็นจัดทั้งหมดในห้องนี้ นักฟิสิกส์จะใช้แม่เหล็ก ทุ่งนาของพวกเขาเป็นเหมือนรั้ว

เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องเร่งอนุภาคหรือกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ที่มีความยาวหลายไมล์ การตั้งค่าการทดลองเหล่านี้มีขนาดเล็ก อย่างไรก็ตาม มันใหญ่และเปราะบางเกินกว่าที่จะกลายเป็นอุปกรณ์เชิงพาณิชย์เพื่อใช้นอกห้องปฏิบัติการทางวิชาการได้ นักฟิสิกส์มักใช้เวลาหลายเดือนในการจัดองค์ประกอบเล็กๆ ทุกส่วนในเขาวงกตด้านทัศนศาสตร์ของตน แม้แต่การสั่นเล็กน้อยที่กระจกและเลนส์—สิ่งที่น่าจะเกิดขึ้นในภาคสนาม—ก็ส่งผลให้งานล่าช้าอย่างมาก “สิ่งที่เราอยากลองทำคือสร้างสิ่งที่สร้างได้เร็วมากและหวังว่าจะดำเนินการได้อย่างน่าเชื่อถือ” คูเปอร์กล่าว ดังนั้นเขาและผู้ร่วมงานจึงหันมาใช้การพิมพ์ 3 มิติ

การทดลองของทีมนอตติงแฮมไม่ได้ใช้พื้นที่ทั้งโต๊ะ แต่มีปริมาตร 0.15 ลูกบาศก์เมตร ซึ่งทำให้ใหญ่กว่ากองพิซซ่าขนาดใหญ่ 10 กล่องเล็กน้อย “มันเล็กมาก เราลดขนาดลงประมาณ 70 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับการตั้งค่าแบบทั่วไป” Somaya Madkhaly นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาที่ Nottingham และผู้เขียนคนแรกของการศึกษากล่าว เธอและเพื่อนร่วมงานมีส่วนร่วมในเกมเลโก้ที่ปรับแต่งได้มากเพื่อสร้างมันขึ้นมา แทนที่จะซื้อชิ้นส่วน พวกเขาประกอบการตั้งค่าจากบล็อกที่พวกเขาพิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติเพื่อให้มีรูปร่างตรงตามที่พวกเขาต้องการ

ที่สำคัญ การตั้งค่าแบบย่อส่วนได้ผล ทีมงานบรรจุรูบิเดียมอะตอม 200 ล้านอะตอมเข้าไปในห้องสุญญากาศและส่งแสงเลเซอร์ผ่านส่วนประกอบด้านทัศนศาสตร์ทั้งหมด ทำให้แสงชนกับอะตอม อะตอมเหล่านี้ก่อตัวตัวอย่างที่เย็นกว่า -450 ฟาเรนไฮต์ เหมือนกับที่นักวิทยาศาสตร์ทำกับเครื่องมือแบบธรรมดาๆ ในช่วง 30 ปีที่ผ่านมา

“ผมคิดว่าการสร้างระบบอะตอมเย็นเช่นนี้เป็นก้าวที่ยิ่งใหญ่ ก่อนหน้านี้มีเพียงส่วนประกอบแต่ละชิ้นเท่านั้นที่ถูกพิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ” Aline Dinkelaker นักฟิสิกส์จากสถาบันดาราศาสตร์ฟิสิกส์ไลบ์นิซพอทสดัม ผู้ไม่เกี่ยวข้องกับการศึกษากล่าว หากการทดลองก่อนหน้านี้เหมือนกับการซื้อชุดเลโก้พิเศษที่ให้คุณสร้างยานอวกาศที่ออกแบบไว้ล่วงหน้า แนวทางของทีมนอตติงแฮมก็เหมือนกับการออกแบบยานอวกาศก่อน จากนั้นจึงพิมพ์ 3 มิติสำหรับบล็อกที่ประกอบขึ้นมา

ประโยชน์ใหญ่ของการใช้การพิมพ์ 3 มิติคือคุณสามารถออกแบบทุกส่วนประกอบแบบกำหนดเองได้ Dinkelaker กล่าว “บางครั้งคุณอาจมีองค์ประกอบเล็กๆ ที่มีรูปร่างแปลกๆ หรือพื้นที่ที่มีรูปร่างแปลกๆ ที่นี่การพิมพ์ 3 มิติอาจเป็นทางออกที่ดี” เธอกล่าว

Lucia Hackermuller ผู้เขียนร่วมอีกคนในรายงานกล่าวว่าการสร้างแต่ละชิ้นตามข้อกำหนดเฉพาะของตัวเองทำให้พวกเขาสามารถปรับให้เหมาะสมได้ “เราต้องการให้มีการออกแบบที่ดีที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และปัญหาก็คือโดยปกติแล้ว เรามีข้อจำกัดในการก่อสร้าง” เธอกล่าว “แต่ถ้าคุณใช้วิธีการพิมพ์แบบ 3 มิติ คุณสามารถพิมพ์อะไรก็ได้ที่คุณนึกถึง” ส่วนหนึ่งของกระบวนการเพิ่มประสิทธิภาพนี้ ทีมงานใช้อัลกอริธึมคอมพิวเตอร์ที่พวกเขาพัฒนาขึ้นเพื่อค้นหาตำแหน่งที่ดีที่สุดสำหรับแม่เหล็กของพวกเขา พวกเขายังทำงานซ้ำประมาณ 10 ครั้งหรือมากกว่านั้นในส่วนประกอบที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ จนกระทั่งได้คุณภาพที่สมบูรณ์

การศึกษาครั้งใหม่นี้เป็นก้าวสำคัญในการทำให้เครื่องมือสำหรับการวิจัยฟิสิกส์พื้นฐานมีราคาไม่แพงและเข้าถึงได้มากขึ้น “ฉันหวังว่าสิ่งนี้จะช่วยเร่งและทำให้การทดลองอะตอมเย็นจัดแบบมาตรฐานเร็วขึ้นและทำให้เป็นประชาธิปไตยด้วยการทำให้ราคาถูกลงและตั้งค่าได้เร็วกว่ามาก” คูเปอร์กล่าว เขาคาดเดาว่าหากเขาติดอยู่บนเกาะร้างซึ่งมีเลนส์และกระจก อะตอมรูบิเดียม และเครื่องพิมพ์ 3 มิติ เขาจะสามารถเดินทางจากศูนย์ไปสู่อุปกรณ์ที่ใช้งานได้เต็มรูปแบบในเวลาประมาณหนึ่งเดือน ซึ่งเร็วกว่าปกติห้าหรือหกเท่า สำหรับ Madkhaly การเริ่มต้นใหม่อาจไม่ใช่แค่สถานการณ์ในจินตนาการเท่านั้น หลังจากที่เธอสำเร็จการศึกษา เธอกล่าวว่าเธออาจกลับไปยังประเทศบ้านเกิดของเธอที่ซาอุดิอาระเบีย และใช้การพิมพ์ 3 มิติเพื่อเริ่มต้นการวิจัยอะตอมเย็นพิเศษครั้งใหม่ “นี่เป็นสาขาใหม่ที่นั่น” เธอกล่าวเสริม

นอกจากนี้ Kitching ยังจินตนาการถึงเครื่องมือเหล่านี้ที่ใช้นอกสถาบันการศึกษา เช่น โดยบริษัทที่ผลิตเซ็นเซอร์ควอนตัมที่รับสนามแม่เหล็กหรือสนามโน้มถ่วง บริษัทเหล่านี้อาจไม่จ้างนักวิทยาศาสตร์ที่ได้รับการฝึกอบรมด้านฟิสิกส์ควอนตัม แต่นั่นก็ไม่สำคัญ เขาจินตนาการว่าพวกเขาตั้งค่าสายการผลิตเพื่อให้ช่างเทคนิคประกอบอุปกรณ์จากส่วนประกอบที่พิมพ์แบบ 3 มิติ และหากอุปกรณ์เหล่านั้นมีความเสถียรเพียงพอที่จะทำงานโดยไม่ต้องปรับแต่งอย่างต่อเนื่อง พนักงานก็ยังสามารถใช้งานอุปกรณ์เหล่านั้นได้อย่างมั่นใจ

ตัวอย่างเช่น อุปกรณ์อะตอมเย็นพิเศษเชิงพาณิชย์สามารถนำไปใช้โดยวิศวกรโยธา บริษัทน้ำมันและก๊าซ นักโบราณคดี หรือนักภูเขาไฟ เพื่อทำแผนที่ภูมิประเทศใต้ดินได้ดีขึ้น โดยพิจารณาจากความไวต่อแรงโน้มถ่วงที่รุนแรงของอะตอม อะตอมที่เย็นจัดอาจพิสูจน์ได้ว่าเป็นส่วนประกอบสำคัญสำหรับเครื่องมือนำทางที่ทำงานแม้ในขณะที่  ดาวเทียม GPS  อยู่ไกลเกินเอื้อม นาฬิกาอะตอมเย็นเฉียบอาจถูกใช้เพื่อซิงโครไนซ์เครือข่ายการขนส่งหรือโทรคมนาคม หรือเพื่อความปลอดภัยของธุรกรรมทางการเงินในสถานการณ์ที่การแลกเปลี่ยนหรือการค้าทุกครั้งต้องมีการประทับเวลาที่แม่นยำมาก

Hackermueller และเพื่อนร่วมงานของเธอวางแผนที่จะเพิ่มประสิทธิภาพการตั้งค่าที่มีอยู่ต่อไปเช่นกัน “เราคิดว่าเรายังไม่ได้ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติการพิมพ์ 3D ทั้งหมดอย่างเต็มที่ ซึ่งหมายความว่าการตั้งค่าของเราอาจเล็กลงอีก” เธอกล่าว—พวกเขาคิดว่าสามารถทำให้มีขนาดเกือบครึ่งหนึ่งของขนาดปัจจุบันได้ คูเปอร์กล่าวว่า: “เราจะมาดูกันว่าคุณสามารถทำอะไรกับเรื่องนี้ได้บ้าง”