اندازهگیری زمان در جهان کوانتومی بدون ساعت!
محققان موفق شدند زمانبندی رویدادهای کوانتومی را بدون استفاده از ابزار زمانسنج خارجی و با دقتی بیسابقه در مقیاس آتوثانیه (یک کوانتوم از ۱۰^-۱۸ ثانیه) تعیین کنند. این پیشرفت میتواند به درک بهتر نقش زمان در مکانیک کوانتومی و توسعه فناوریهای مبتنی بر کنترل دقیق حالتهای کوانتومی کمک کند.
به گزارش scitechdaily، هوگو دیل فیزیکدان دانشگاه پلیتکنیک فدرال لوزان (EPFL) میگوید: مفهوم زمان همواره برای فلاسفه و فیزیکدانان چالشبرانگیز بوده و ورود مکانیک کوانتومی این مسئله را ساده نکرده است. مشکل اصلی نقش کلی زمان در مکانیک کوانتومی و بهویژه مقیاس زمانی مرتبط با گذارهای کوانتومی است.
رویدادهای کوانتومی در مقیاسی رخ میدهند که قابل تصور نیست؛ به عنوان مثال فرآیندهایی مانند تونلزنی یا پرش یک الکترون به حالت انرژی جدید پس از جذب نور در تنها چند ده آتوثانیه رخ میدهند. این بازه زمانی چنان کوتاه است که نور حتی نمیتواند عرض یک ویروس کوچک را در همین مدت طی کند.
چالش اندازهگیری رویدادهای فوقسریع
اندازهگیری فواصل زمانی اینچنین کوتاه همواره یک مانع بزرگ بوده است، زیرا هر دستگاه زمانسنج خارجی میتواند فرآیند کوانتومی حساس را تحت تاثیر قرار داده و نتیجه را تغییر دهد. دیل در این زمینه توضیح میدهد: اگرچه جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۳ نشان داد که میتوان به چنین زمانهای کوتاهی دست یافت، استفاده از مقیاس زمانی خارجی ممکن است خطا ایجاد کند. این چالش را میتوان با استفاده از روشهای تداخل کوانتومی و بر اساس ارتباط بین فاز تجمعی و زمان حل کرد.
اندازهگیری زمان بدون ساعت
تیم تحقیقاتی دیل اکنون روشی را ارائه کرده که نیاز به ساعت یا مرجع زمانی خارجی را کاملا حذف میکند. وقتی الکترونها فوتون جذب کرده و از ماده خارج میشوند اطلاعات ظریفی در اسپین آنها نهفته است. این اسپین بسته به نحوه وقوع گذار کوانتومی تغییر میکند و با تحلیل این تغییرات، پژوهشگران توانستند مدت زمان گذار را تعیین کنند.
فی گو نویسنده اول مقاله میگوید: این آزمایشها نیاز به مرجع خارجی یا ساعت ندارند و مدت زمانی که تابع موج الکترون از حالت اولیه به حالت نهایی با انرژی بالاتر پس از جذب فوتون طی میکند، به دست میآید.
نقش تداخل کوانتومی در تعیین مدت زمان
وقتی نور یک الکترون را تحریک میکند، فرآیند تنها یک مسیر را دنبال نمیکند و مسیرهای کوانتومی متعددی به طور همزمان امکانپذیرند. این مسیرها با یکدیگر تداخل میکنند و اثر این تداخل در الگوی اسپین الکترون منتشر شده قابل مشاهده است. با رصد تغییرات این الگو نسبت به انرژی الکترون محققان توانستند مدت زمان گذار را محاسبه کنند.
اندازهگیری با طیفسنجی پیشرفته
برای انجام اندازهگیریها تیم از روشی موسوم به طیفسنجی فوتوالکترون زاویهای و اسپیندار (SARPES) استفاده کرد. در این روش، نور سنکرترون قدرتمند به ماده تابانده میشود تا الکترونها به انرژی بالاتر برانگیخته و از ماده خارج شوند. سپس انرژی، جهت و اسپین الکترونهای خارج شده اندازهگیری میشود.
تاثیر ساختار اتمی بر زمانبندی کوانتومی
پژوهشگران مواد با آرایشهای اتمی متفاوت را مورد بررسی قرار دادند. برخی سهبعدی و مانند مس معمولی بودند و برخی دیگر شامل لایههای ضعیفا متصل مانند تیتانیوم دیسلنید (TiSe۲) و تیتانیوم دیتلورید (TiTe۲) بودند. مس تلورید (CuTe) ساختاری سادهتر داشت و به صورت زنجیرهای از اتمها تشکیل شده بود. این مقایسهها به تیم امکان داد تا تاثیر هندسه ماده بر مدت زمان گذار کوانتومی را بررسی کنند.
الگوهای روشن در مقیاس آتوثانیه
اندازهگیریها نشان دادند که هر چه ساختار ماده سادهتر و نامتقارنتر باشد مدت زمان گذار کوانتومی طولانیتر است. در مس سهبعدی، گذار بسیار سریع و حدود ۲۶ آتوثانیه بود. در مواد لایهای TiSe۲ و TiTe۲ این فرآیند به ۱۴۰ تا ۱۷۵ آتوثانیه رسید و در CuTe با ساختار زنجیرهای، زمان گذار بیش از ۲۰۰ آتوثانیه بود. این نتایج نشان میدهند که ساختار اتمی ماده نقش تعیینکنندهای در سرعت رویدادهای کوانتومی دارد.
پیامدها برای فیزیک و فناوری کوانتومی
دیل در این زمینه میگوید: نتایج تجربی ما نه تنها اطلاعات بنیادی درباره تاخیر زمانی در فوتوالکترونها فراهم میکند بلکه بینشی تازه درباره عواملی که زمان را در سطح کوانتومی تحت تاثیر قرار میدهند ارائه میدهد و میتواند مسیر درک نقش زمان در مکانیک کوانتومی را هموار کند.
این یافتهها ابزار جدیدی در اختیار محققان قرار میدهد تا رفتار الکترونها در مواد پیچیده را بررسی کنند و میتواند در طراحی مواد با ویژگیهای کوانتومی خاص و توسعه فناوریهای آینده که نیازمند کنترل دقیق حالتهای کوانتومی هستند بسیار موثر باشد.
انتهای پیام/
