به گزارش آفتاب شرق
دانشمندان دانشگاه هاروارد و مؤسسه پل شرر (PSI) موفق شده‌اند حالت‌های زودگذر کوانتومی را در زمان منجمد کنند. این کار مسیر تازه‌ای برای کنترل حالت‌های کوانتومی با منفعت گیری از پالس‌های لیزری فراهم می‌کند.
هنگامی که مواد کوانتومی برانگیخته خواهد شد، ویژگی‌های شگفت‌انگیزی از خود نشان خواهند داد اما این حالت‌های برانگیخته به‌محض حذف محرک، به‌شدت از بین می‌روال و همین نوشته کاربردهای عملی آنها را محدود می‌کند.
به گزارش Sciencedaily، اکنون تیمی از پژوهشگران دانشگاه هاروارد و مؤسسه PSI موفق شده‌اند روشی را برای پایدارسازی این حالت‌های زودگذر اراعه دهند و رفتارهای کوانتومی آنها را با منفعت گیری از پرتوهای ایکس از لیزر الکترون آزاد SwissFEL در PSI مطالعه کنند. یافته‌های این پژوهش در مجله Nature Materials انتشار شده است.
برخی مواد ویژگی‌های کوانتومی شگفت‌انگیزی دارند که می‌توانند به فناوری‌های تحول‌آفرینی همانند الکترونیک بدون اتلاف انرژی و باتری‌های با ظرفیت بالا منجر شوند. این ویژگی‌های کوانتومی در حالت طبیعی نهان باقی می‌همانند و دانشمندان باید بادقت آنها را برانگیزند تا نمایان شوند.
آخرین اخبار
یکی از راه حلهای مؤثر برای این کار، منفعت گیری از پالس‌های نوری زیاد مختصر است. این پالس‌ها می‌توانند ساختار میکروسکوپی و برهم‌کنش‌های الکترونی در ماده را دگرگون کنند و علتظاهر شدن این ویژگی‌های عملکردی شوند.
اما این حالت‌های القاشده با نور، دوام بسیاری ندارند و طبق معمولً فقط چند پیکوثانیه باقی می‌همانند؛ وقتی زیاد مختصر که منفعت‌برداری عملی از آنها را دشوار می‌کند. در موارد نادری، برخی از این حالت‌های القاشده عمر بیشتری اشکار می‌کنند اما فهمیدن ما از این اتفاق‌ها تا این مدت محدود است و چارچوب نظری جامعی برای طراحی حالت‌های برانگیخته‌ی پایدار وجود ندارد.
اکنون تیمی از دانشمندان دانشگاه هاروارد به‌همراه همکاران خود در مؤسسه PSI موفق شدند با دستکاری تقارن حالت‌های الکترونی در ترکیبی از اکسید مس، بر یکی از چالش‌های مهم فیزیک کوانتومی تسلط کنند.
آنها با منفعت‌گیری از لیزر الکترون آزاد پرتو ایکس SwissFEL در مؤسسه PSI نشان دادند که تحریک نوری موثر می‌تواند حالت الکترونی غیرتعادلی شبه‌پایدار تشکیل کند که چندین نانوثانیه (نزدیک به هزار برابر زیاد تر از حالت‌های معمولی القاشده با نور) دوام می‌آورد.
هدایت الکترون‌ها و کنترل حالت‌های کوانتومی با لیزر
ماده‌ای که در این پژوهش بازدید شده، ترکیب Sr₁₄Cu₂₄O₄₁ است که به آن «نردبان کوپرات» (Cuprate Ladder) می‌گویند. این ماده تقریباً یک‌بعدی است و از ۲ واحد ساختاری نزدیک راه اندازی شده: زنجیره‌ها و نردبان‌ها، که نحوه آرایش اتم‌های مس و اکسیژن را نشان خواهند داد. این ساختار یک‌بعدی، بستری ساده‌تر برای مطالعه اتفاق‌های فیزیکی پیچیده‌ای فراهم می‌کند که در سیستم‌های چندبعدی نیز دیده خواهد شد.
«ماتئو میترانو»، فیزیکدان تجربی ماده چگال از دانشگاه هاروارد و سرپرست این پژوهش، توضیح می‌دهد: «این ماده برای ما همانند مگس سرکه است. این بستری ایده‌آل است که می‌توانیم برای بازدید اتفاق‌های عمومی کوانتومی از آن منفعت گیری کنیم.»
یکی از راه حلهای دستیابی به یک حالت غیرتعادلی شبه‌پایدار به دام انداختن این حالت در «چاه انرژی» است؛ به‌طوری که سیستم انرژی کافی برای خروج از آن را نداشته باشد. اما این تکنیک می‌تواند مشکل القای گذارهای فازی ساختاری را به‌همراه داشته باشد که می‌تواند تغییری در آرایش مولکولی ماده تشکیل کند. میترانو توضیح می‌دهد:
«ما می‌خواستیم بفهمیم آیا می‌توان بدون تحول ساختار و فقط با راه حلهای کاملاً الکترونیکی، ماده را در حالت غیرتعادلی قفل کرد یا نه. به همین علت رویکرد جایگزینی نظر شد.»
در این ترکیب خاص، واحدهای «زنجیره‌ای» چگالی بالایی از بار الکترونی دارند، درحالی‌که «نردبان‌ها» نسبتاً خالی‌اند. در حالت اعتدال، تقارن حالت‌های الکترونی مانع از جابه‌جایی بار بین این ۲ قسمت می‌شود اما پالس لیزری مهندسی‌شده با دقت بالا این تقارن را می‌شکند و به بارهای الکتریکی اجازه می‌دهد تا به‌صورت کوانتومی از زنجیره‌ها به نردبان‌ها تونل‌زنی کنند.
میترانو توضیح می‌دهد: «همانند این است که یک شیر را باز و بسته می‌کنید.» به‌محض خاموش شدن تحریک لیزری، تونل بین نردبان‌ها و زنجیره‌ها بسته می‌شود و ربط بین این ۲ قسمت قطع می‌گردد. در نتیجه، سیستم برای مدتی در حالت تازه و با عمر طویل به دام می‌افتد و به دانشمندان اجازه می‌دهد ویژگی‌های کوانتومی آن را اندازه‌گیری کنند.
پالس‌های پرتوی ایکس در مرز فناوری
در این پژوهش، پالس‌های پرتوی ایکس با زمان‌زمان فمتوثانیه که در SwissFEL تشکیل خواهد شد، امکان ثبت فرایندهای زیاد سریع الکترونی که مسئول شکل‌گیری و پایداری حالت شبه‌پایدار می باشند را فراهم کردند.
پژوهشگران با منفعت گیری از تکنیکی به نام «پراکندگی غیرکشسان تشدیدی پرتو ایکس با وضوح وقتی» یا به‌اختصار tr-RIXS در ایستگاه Furka از SwissFEL، موفق شدند برانگیختگی‌های مغناطیسی، الکتریکی و مداری و این چنین نحوه تحول آنها در طول زمان را مشاهده کنند و ویژگی‌هایی را آشکار کنند که طبق معمولً از دید دیگر راه حلهای آزمایش نهان می‌همانند.
«الیا رازولی»، سرپرست ایستگاه Furka که مسئول طراحی این آزمایش بوده است، می‌گوید: «ما می‌توانیم به‌طور خاص روی اتم‌هایی تمرکز کنیم که تعیین‌کننده خواص فیزیکی سیستم می باشند.»
این قابلیت نقش کلیدی در رمزگشایی از حرکت الکترون‌هایی داشت که بر تاثییر تابش نور برانگیخته شده و تبدیل شکل‌گیری حالت شبه‌پایدار شدند. «هاری پادما»، پژوهشگر پسادکتری در دانشگاه هاروارد و نویسنده مهم مقاله، گفت:
«با این تکنیک می‌توانیم حرکت الکترون‌ها را در مقیاس وقتی فوق سریع ذاتی‌شان مشاهده و در نتیجه، شبه‌پایداری الکترونی را آشکار کنیم.»
آغازی برای مجموعه آزمایش‌های آینده
تکنیک tr-RIXS دیدگاهی بی همتا درمورد دینامیک انرژی و تکانه در مواد برانگیخته اراعه می‌دهد و زمان‌های علمی تازه‌ای را برای پژوهشگران SwissFEL در مطالعه مواد کوانتومی فراهم می‌کند.
از زمان انجام این آزمایش اولیه، ایستگاه Furka به‌روزرسانی‌هایی را برای ترقی وضوح انرژی در روش RIXS پشت سر گذاشته و اکنون آماده بازدید انواع جدیدی از برانگیختگی‌هایی، ازجمله برانگیختگی‌های شبکه‌ای (lattice excitations) است. رازولی می‌گوید:
«این آزمایش برای نشان دادن توانمندی‌های ما در انجام این چنین پروژه‌هایی زیاد مهم می بود. هم ایستگاه و هم تجهیزات آن از آن زمان تا بحال بهبود قابل‌توجهی یافته‌اند و ما هم چنان به بهبود آنها ادامه می‌دهیم.»
این پژوهش گامی بزرگ در مسیر کنترل مواد کوانتومی در شرایط غیرتعادلی به حساب می اید و پیامدهای گسترده‌ای برای فناوری‌های آینده دارد. با پایدارسازی حالت‌های غیرتعادلی برانگیخته‌شده با نور، این پژوهش افق‌های تازه‌ای را برای طراحی موادی با ویژگی‌های قابل‌تنظیم گشوده است.
این چنین پیشرفتی می‌تواند به گسترش دستگاه‌های اپتوالکترونیکی فوق‌سریع منجر شود؛ ازجمله مبدل‌هایی که سیگنال‌های الکتریکی را به نور و بالعکس تبدیل می‌کنند (اجزای کلیدی در ارتباطات کوانتومی) و رایانش فوتونی. این چنین این رویکرد مسیر جدیدی برای ذخیره اطلاعات فراهم می‌کند که در آن، داده‌ها در حالت‌های کوانتومی رمزگذاری شده و با پشتیبانی نورکنترل خواهد شد.
این چنین بخوانید: کشف حالت‌های تازه کوانتومی برای افت اشتباه در محاسبات
دسته بندی مطالب
اخبار سلامتی
