تینو – یکتا فراهانی: مکانیک کوانتومی فیزیک را در سطح زیراتمی توصیف می کند، یعنی رفتار و مکانیسم اتم ها و اجزای آنها. از آنجایی که اتم ها از ذرات زیراتمی تشکیل شده اند و اتم ها اساساً همه چیز را در طبیعت می سازند، فیزیک کوانتومی زیربنای رفتار واقعی طبیعت است.
بازسازی اثر کوانتومی هال
در حال حاضر، دانشمندان MIT یک گروه آزمایشی ایجاد کرده اند که اثر کوانتومی هال را بازسازی می کند. اما از ابر بسیار سردی از اتم های سدیم به جای الکترون استفاده می کند.
با تمرکز بر فعل و انفعالاتی که در میلی ثانیه (به جای فمتوثانیه) اتفاق می افتد، این آزمایش می تواند به دانشمندان کمک کند تا این راز شگفت انگیز دنیای کوانتومی را بیشتر مطالعه کنند.
یکی از دشوارترین چیزها در مورد کاوش در دنیای کوانتومی این است که بسیاری از پدیده ها در این جهان “غیبی” در مقیاس های بسیار کوچک رخ می دهند.
به عنوان مثال، آنچه به عنوان اثر هال کوانتومی شناخته می شود را در نظر بگیرید. این اثر اولین بار در سال 1980 توسط فیزیکدان آلمانی کلاوس فون کلیتسینگ کشف شد و رفتار الکترون ها (تحت تاثیر میدان مغناطیسی و نزدیک شدن به دمای صفر مطلق) را هنگام عبور از مواد دو بعدی مانند گرافن توصیف می کند.
به طور معمول شما انتظار دارید که الکترون ها با مقاومت و پراکندگی مواجه شوند. اما در این مورد، آنها حالت های انرژی بدون تلفات را در امتداد مرزهای فیزیکی تشکیل می دهند.
بیشتر بخوانید:
حالت لبه
کوانتیزاسیون مقاومت الکتریکی، که به عنوان “حالت لبه” شناخته می شود، به ویژه برای ایجاد مواد خارجی که فاقد مقاومت الکتریکی هستند مفید است. اما فقط یک مشکل وجود دارد.
ریچارد فیشر، استادیار دانشگاه MIT، در بیانیه‌ای مطبوعاتی می‌گوید که این حالت‌ها در فمتوثانیه و در کسری از نانومتر رخ می‌دهند که ثبت آنها بسیار دشوار است. یک فمتوثانیه یک کوادریلیوم ثانیه است. زیبایی دیدن فیزیک با چشمان خود کاملاً باورنکردنی است. اما معمولاً در مواد پنهان است و مستقیماً دیده نمی شود.
ضرورت نبوغ تجربی
فلچر – با همکارانش در آزمایشگاه تحقیقات الکترونیک MIT و مرکز MIT برای اتم های فوق سرد در دانشگاه هاروارد – برای مطالعه واقعی این برهمکنش کوانتومی در مقیاس معقول تر، تصمیم گرفت راه جدیدی برای مقیاس این پدیده ارائه دهد.
به گفته محققان، این به تیم اجازه داد تا شکل‌گیری این حالت‌های لبه را «در محدوده میلی‌ثانیه و میکرون» ببینند، که پارامترهای آزمایشی قابل کنترل‌تری هستند. نتایج این مطالعه هفته گذشته در مجله Nature Physics منتشر شد.
برای اینکه این برهم کنش کوانتومی در مقیاس بزرگتر عمل کند، نبوغ تجربی زیادی لازم بود. این تیم از یک میلیون اتم سدیم فوق سرد شده استفاده کرد و آنها را در یک آرایه پیچیده از پرتوهای لیزر به دام انداخت. با این حال، برای شبیه سازی تجربه زندگی در یک فضای مسطح، محققان آنها را مانند سواران در یک پارک تفریحی Gravitron چرخاندند.
به نیروی سوم توجه کنید
فلچر می‌گوید: «تله تلاش می‌کند اتم‌ها را به داخل بکشد، اما یک نیروی گریز از مرکز تلاش می‌کند تا آنها را بیرون بکشد». این دو نیرو یکدیگر را متعادل می کنند. اگر یک اتم هستید و فکر می کنید که در یک فضای مسطح زندگی می کنید، با وجود اینکه جهان شما می چرخد. نیروی سومی نیز وجود دارد. اثر کوریولیس پس اگر می خواستند در یک خط حرکت کنند، منحرف شدند; بنابراین این اتم‌های عظیم اکنون طوری رفتار می‌کنند که انگار الکترون‌هایی هستند که در یک میدان مغناطیسی زندگی می‌کنند.
الکترون ها در مقیاس های کوانتومی بسیار کوچک هستند
سپس دانشمندان “لبه” این ماده گازی را با قرار دادن لیزری که دیواره ای در اطراف اتم ها تشکیل می داد، شناسایی کردند. هنگامی که اتم ها با این نور مواجه شدند، مانند الکترون ها در مقیاس های کوانتومی بسیار کوچک، فقط در یک جهت جریان داشتند.
مارتین زورلین، یکی از نویسندگان این مطالعه، در یک بیانیه مطبوعاتی گفت: «می‌توانید تصور کنید که مانند تیله‌هایی است که خیلی سریع در یک کاسه می‌چرخند، و سپس در لبه کاسه می‌چرخند». بیانیه: “هیچ اصطکاک، کاهش، نشتی یا پراکندگی یک اتم در بقیه سیستم وجود ندارد. فقط یک جریان زیبا و منسجم وجود دارد.”
مقاومت این اتم ها را آزمایش کنید
برای آزمایش مقاومت این اتم ها، موانعی مانند یک نقطه نورانی در مسیر آنها قرار داده شد و اتم ها بدون هیچ مقاومت قابل اندازه گیری از آنها عبور کردند.
اکنون که دانشمندان جایگاه قابل اعتمادی برای این فرآیند کوانتومی دارند، آزمایش‌های آینده می‌توانند این برهم‌کنش‌ها را به «لبه» بکشانند و شروع به کشف مرزهای ناشناخته این قطعه جذاب فیزیک کوانتومی کنند.
