گروه علمی و فناوری برنا/ پژوهشگران موسسه علوم و فناوری اوکیناوا ژاپن برای نخستین‌بار نشان دادند که نیروی ناشی از اسپین کوانتومی الکترون‌ها می‌تواند حرکت مکانیکی یک جسم معلق به عرض یک سانتی‌متر را تحت تاثیر قرار دهد. این دستاورد می‌تواند راه را برای بررسی تجربی مرز میان فیزیک کلاسیک و کوانتومی هموار کند.
دستاورد‌های فناورانه مدرنی مانند لیزرها، دستگاه‌های تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI)، نیمه‌رسانا‌ها و رایانه‌های کوانتومی بر مطالعه مکانیک کوانتومی استوار هستند. با این حال پژوهش‌های این حوزه عمدتا بر پدیده‌هایی در مقیاس زیراتمی و اتمی متمرکز بوده‌اند که از محدوده ادراک مستقیم حواس انسان فاصله زیادی دارند.
اثبات پدیده‌های کوانتومی در اجسامی که جرم آنها به‌اندازه‌ای زیاد باشد که گرانش بتواند تأثیر معناداری بر آنها بگذارد همواره دشوار بوده است. دلیل این مسئله آن است که جداسازی اجسام بزرگ از عوامل محیطی مانند گرما و ارتعاش، در مقایسه با ذرات بسیار کوچک به‌مراتب دشوارتر است.
اکنون پژوهشگران موسسه علوم و فناوری اوکیناوا (OIST) در ژاپن موفق شده‌اند با استفاده از نیروی تولیدشده صرفا از اسپین الکترون‌ها یک الماس معلق به عرض یک سانتی‌متر را به حرکت درآورند. این آزمایش نخستین مشاهده مستقیمِ دست‌کاری مکانیکی یک جسم تحت تاثیر گرانش به‌وسیله یک اثر کوانتومی را نشان می‌دهد.
نتایج این پژوهش که امروز در مجله علمی Science Advances منتشر شده است مبنای جدیدی برای مطالعه مرز میان فیزیک کلاسیک و فیزیک کوانتومی فراهم می‌کند. این دستاورد می‌تواند مسیر‌های تازه‌ای برای بررسی ماهیت بنیادی جهان و همچنین توسعه نسل جدیدی از حسگر‌های بسیار دقیق ایجاد کند، حسگر‌هایی که در آینده برای شناسایی ماده تاریک، امواج گرانشی و دیگر پدیده‌های غیرمتعارف فیزیکی به کار خواهند رفت.
جیسون تواملی، استاد و پژوهشگر واحد ماشین‌های کوانتومی مؤسسه علوم و فناوری اوکیناوا درباره اهمیت این دستاورد گفت: تلاش‌های زیادی برای آزمایش اعتبار مکانیک کوانتومی در اجسامی بزرگ‌تر از چند ده نانومتر انجام شده است، اما این تلاش‌ها تاکنون موفقیت‌آمیز نبوده‌اند.
او افزود: اکنون ما پاسخ مکانیکی کلاسیکی به نیرویی کوانتومی را در جسمی مشاهده کرده‌ایم که جرم آن هشت تا ۹ مرتبه بزرگی بیشتر از جرم اجسام مورد استفاده در پیشرفته‌ترین آزمایش‌های اسپین مکانیکی کنونی است.
این نتیجه به معنای آن نیست که پژوهشگران پیش‌تر هیچ اثر کوانتومی را در سامانه‌های بزرگ‌تر مشاهده نکرده‌اند بلکه اهمیت آزمایش جدید در نشان دادن تاثیر مکانیکی نیروی ناشی از اسپین کوانتومی بر جسمی با ابعاد سانتی‌متری است.
فیزیک کلاسیک و فیزیک کوانتومی از مدت‌ها پیش در بررسی پدیده‌ها در مقیاس‌های متفاوت با چالش‌هایی روبه‌رو بوده‌اند. در فیزیک کلاسیک گرانش یکی از ارکان اصلی نظریه نسبیت عام است؛ با این حال اثرات گرانشی در مقیاس نانومتر بسیار ضعیف هستند یعنی همان محدوده‌ای که پدیده‌های کوانتومی در آن مشاهده شده‌اند.
از سوی دیگر برهم‌نهی مکانی (Positional Superposition) که به وضعیتی گفته می‌شود که در آن یک ذره تا پیش از اندازه‌گیری می‌تواند در چند مکان متمایز به‌طور هم‌زمان توصیف شود تاکنون تنها در مقیاس‌های میکروسکوپی به‌صورت تجربی نشان داده شده است.
پژوهشگران برای بررسی ماهیت کوانتومی گرانش در نهایت باید بتوانند اجسامی با جرم به‌اندازه کافی زیاد را در حالت برهم‌نهی کوانتومی قرار دهند. برای انجام چنین آزمایشی این اجسام باید در خلأ معلق نگه داشته شوند تا تاثیر نویز‌های محیطی به حداقل برسد.
آنشومان نایاک، نویسنده نخست مقاله و دانشجوی دکتری واحد ماشین‌های کوانتومی این موسسه در توضیح این چالش گفت: برای بررسی ماهیت کوانتومی گرانش در نهایت باید اجسامی با جرم به‌اندازه کافی زیاد را در برهم‌نهی کوانتومی قرار دهیم. این اجسام همچنین باید در خلأ معلق باشند تا تاثیر نویز‌های محیطی به حداقل برسد.
او توضیح داد که رویکرد متداول برای انجام چنین آزمایش‌هایی آغاز کار با اجسام بسیار کوچک و معلق و سپس افزایش تدریجی جرم آنهاست تا اثرات گرانش اهمیت پیدا کند.
با این حال معلق نگه داشتن اجسام در مقیاس ماکروسکوپی با استفاده از روش‌های متداول، مانند تله‌های نوری بسیار دشوار است. به همین دلیل، گروه پژوهشی اوکیناوا رویکردی معکوس را در پیش گرفت و به‌جای حرکت از مقیاس کوچک به بزرگ کار را با اجسامی بزرگ‌تر آغاز کرد.
نایاک در این‌باره گفت: ما در اردوگاه مخالف قرار داریم و از مقیاس بزرگ به کوچک حرکت می‌کنیم. همان‌طور که شناوری دیامغناطیسی می‌تواند قطار‌های شناور مغناطیسی را بالا نگه دارد، از این روش می‌توان برای معلق نگه داشتن اجسام به عرض یک سانتی‌متر که حاوی الماس هستند نیز استفاده کرد، اجسامی که گرانش می‌تواند بر آنها تاثیر بسیار قابل‌توجهی داشته باشد، اما اثرات کوانتومی در آنها هنوز مشاهده نشده بود.
شناوری دیامغناطیسی به پدیده‌ای گفته می‌شود که در آن یک ماده در پاسخ به میدان مغناطیسی خارجی نیرویی ایجاد می‌کند که می‌تواند آن را از ناحیه میدان دور کند. پژوهشگران با بهره‌گیری از این ویژگی توانستند سامانه‌ای مکانیکی بسازند که در آن اثر نیروی کوانتومی بر یک جسم بزرگ‌تر قابل اندازه‌گیری باشد.
راز موفقیت این آزمایش ترکیب چند ابزار و فناوری بود که همین گروه پژوهشی پیش‌تر هر یک را به‌صورت جداگانه در آزمایش‌ها نشان داده بود.
سامانه آزمایشی از یک صفحه گرافیتی معلق به روش دیامغناطیسی تشکیل شده بود که به یک آینه مجهز شده بود. این صفحه از طریق یک میله کربنی به الماسی متصل بود که بالای یک آهن‌ربا آویزان شده بود. میله کربنی از میان یک حفاظ مغناطیسی عبور می‌کرد و الماس را به بخش گرافیتی متصل می‌ساخت.
الماس مورد استفاده در این آزمایش دارای میلیارد‌ها مرکز موسوم به نیتروژن جای‌خالی (Nitrogen-Vacancy یا NV) بود. این مراکز نقص‌های ساختاری در شبکه بلوری الماس هستند که در آنها یک اتم نیتروژن در مجاورت جای خالی یک اتم کربن قرار می‌گیرد.
مراکز NV می‌توانند الکترون‌های جفت‌نشده را در خود جای دهند و از طریق اسپین کوانتومی این الکترون‌ها مانند آهن‌ربا‌های کوانتومی بسیار کوچک و قابل‌کنترل عمل کنند.
اسپین یکی از ویژگی‌های بنیادی کوانتومی ذرات است که با تکانه زاویه‌ای ذاتی آنها ارتباط دارد. در این آزمایش پژوهشگران از قابلیت کنترل حالت اسپین الکترون‌های موجود در مراکز NV برای ایجاد نیرویی استفاده کردند که حرکت مکانیکی الماس را تغییر می‌داد.
پژوهشگران به‌صورت دوره‌ای به الماس نور لیزر سبز تاباندند. این تابش مراکز NV را به یک حالت اسپینی از پیش تعیین‌شده سوق داد، فرایندی که در فیزیک کوانتومی از آن با عنوان قطبیده‌سازی اسپین یاد می‌شود.
تغییر حالت اسپین مراکز NV نوسانات مغناطیسی کوچکی ایجاد کرد که نیروی حاصل از آنها الماس را به سمت پایین و در جهت آهن‌ربا به حرکت درآورد.
برای اندازه‌گیری این حرکت پژوهشگران از یک تداخل‌سنج استفاده کردند. در این روش پرتو لیزر به آینه کوچکی که روی صفحه گرافیتی قرار داشت تابانده می‌شد و تغییرات فاصله با دقت پیکومتری اندازه‌گیری می‌شد.
پیکومتر واحدی برای اندازه‌گیری طول و برابر با یک تریلیونیم متر است. چنین دقتی به پژوهشگران اجازه می‌دهد جابه‌جایی‌های بسیار کوچک را ثبت کنند؛ جابه‌جایی‌هایی که اندازه‌گیری آنها با ابزار‌های معمولی امکان‌پذیر نیست.
در تصویر رنگی واقعی از بخش پایینی سامانه آزمایشی الماس دارای مراکز NV از طریق یک میله گرافیتی بالای آهن‌ربا معلق نگه داشته شده است. هنگامی که نور لیزر سبز به الماس تابانده می‌شود تغییر حالت اسپین درون الماس موجب حرکت آن به سمت پایین و در جهت آهن‌ربا می‌شود.
در همین حال الماس به دلیل برانگیخته شدن الکترون‌های موجود در مراکز نیتروژن جای‌خالی به‌وسیله لیزر و انتقال آنها به حالت انرژی بالاتر نور قرمز گسیل می‌کند.
دائهی کیم، از نویسندگان همکار مقاله و دانشجوی دکتری واحد ماشین‌های کوانتومی موسسه علوم و فناوری اوکیناوا توضیح داد که الماس‌های دارای مراکز NV به‌خوبی شناخته شده‌اند و کنترل آنها نسبتاً آسان است.
او گفت یکی از ویژگی‌های مهم این مراکز زمان‌های همدوسی نسبتا طولانی آنهاست. همدوسی کوانتومی به حفظ روابط فازی میان حالت‌های کوانتومی گفته می‌شود. این ویژگی برای حفظ و مشاهده رفتار‌های کوانتومی ضروری است.
کیم افزود که مراکز NV از طولانی‌ترین زمان‌های همدوسی شناخته‌شده در میان سامانه‌های کوانتومی برخوردارند و به همین دلیل در دمای اتاق می‌توانند حالت‌های برهم‌نهی کوانتومی را برای مدتی طولانی‌تر از بسیاری از سامانه‌های دیگر حفظ کنند.
او گفت: این ویژگی‌ها همراه با قابلیت کنترل آسان مراکز NV آنها را به گزینه‌ای بسیار جذاب برای ایجاد برهم‌نهی ماکروسکوپی حرکت یا یک جسم در پژوهش‌های آینده تبدیل می‌کند.
ایجاد برهم‌نهی کوانتومی در اجسامی با جرم بیشتر، یکی از چالش‌های مهم فیزیک مدرن است؛ زیرا افزایش ابعاد و جرم یک سامانه جداسازی آن از محیط و حفظ حالت‌های کوانتومی را دشوارتر می‌کند.
آلبرت اینشتین در دهه‌های پایانی زندگی خود با برخی از پیامد‌های مکانیک کوانتومی درگیر بود؛ نه صرفا به این دلیل که این نظریه پیچیده است بلکه به این دلیل که پرسش‌هایی بنیادی درباره ارتباط آن با نسبیت عام مطرح می‌کند که هنوز پاسخ قطعی ندارند.
آیا گرانش ماهیتی کوانتومی دارد یا کاملا کلاسیکی است؟ اطلاعات در مرکز یک سیاه‌چاله چه سرنوشتی پیدا می‌کنند؟ ماده تاریک و انرژی تاریک چه هستند؟ آیا یک جسم دارای جرم واقعا می‌تواند به‌طور هم‌زمان در دو مکان متفاوت قرار داشته باشد؟
این پرسش‌ها عمدتا به دلیل فاصله میان چارچوب‌های ریاضی، نظری و تجربی فیزیک کوانتومی و فیزیک کلاسیک همچنان از چالش‌های اساسی علم به شمار می‌روند.
پژوهشگران موسسه علوم و فناوری اوکیناوا با نشان دادن یک اثر مکانیکی که صرفا از اسپین کوانتومی ناشی می‌شود بستری تجربی برای بررسی نظریه‌های غیرمتعارف فیزیک فراهم کرده‌اند. این بستر می‌تواند در آینده به آزمایش ایده‌هایی کمک کند که تاکنون بررسی آنها در سامانه‌های بزرگ‌تر با محدودیت‌های جدی روبه‌رو بوده است.
تواملی در پایان گفت: ما نشان داده‌ایم که یک اثر کوانتومی کوچک می‌تواند پاسخ کلاسیکی بزرگی ایجاد کند. اکنون دیگر مسئله این نیست که آیا چنین فناوری‌ای امکان‌پذیر است یا نه بلکه این است که چگونه می‌توان شرایط آزمایش را بهبود داد تا به برهم‌نهی کوانتومی در محدوده‌ای دست پیدا کنیم که نسبیت عام اینشتین در آن مطرح است.
او افزود که این پژوهش هم‌زمان به توسعه نسل جدیدی از حسگر‌های بسیار دقیق کمک می‌کند و مرز آزمایش‌های مربوط به این پدیده‌ها را از مقیاس نانومتر به مقیاس سانتی‌متر گسترش می‌دهد.
تواملی در پایان با اشاره به آزمایش فکری مشهور گربه شرودینگر گفت: ما در حال افزایش این مقیاس از نانومتر به سانتی‌متر هستیم. تنها به یک مرتبه بزرگی دیگر نیاز داریم تا سرانجام بتوانیم گربه شرودینگر را در دنیای واقعی مشاهده کنیم.
گربه شرودینگر یک آزمایش فکری مشهور در مکانیک کوانتومی است که برای نشان دادن دشواری تفسیر برهم‌نهی کوانتومی در مقیاس‌های بزرگ مطرح شده است. در این آزمایش فکری گربه‌ای در شرایطی فرضی قرار می‌گیرد که وضعیت آن به یک فرایند کوانتومی وابسته است؛ وضعیتی که در توصیف کوانتومی پیش از اندازه‌گیری با برهم‌نهی حالت‌های متفاوت ارتباط دارد.
البته آزمایش اخیر به معنای مشاهده برهم‌نهی کوانتومی یک گربه یا حتی اثبات برهم‌نهی کوانتومی خود الماس نیست. اهمیت آن در این است که پژوهشگران توانسته‌اند اثر مکانیکی ناشی از یک فرایند کوانتومی را بر جسمی در مقیاس سانتی‌متر اندازه‌گیری کنند، گامی که می‌تواند به آزمایش‌های آینده درباره پیوند میان گرانش، فیزیک کلاسیک و مکانیک کوانتومی کمک کند.
انتهای پیام/