میکروسکوپ تونل زنی روبشی : وقتی جریان الکتریکی به چکه های الکترون تبدیل می شود!

2

تا به حال تصور کرده اید اگر در یک جریان الکتریکی، الکترون ها به جای جریان یافتن، چکه کنند؛ چه می شود؟ این سوالی بود که محققان موسسه ماکس پلانک به آن پاسخ دادند. آنها در تازه ترین پژوهش خود، میکروسکوپ تونل زنی روبشی را تا یک پانزده هزارم صفر مطلق، سرد کردند. نتیجه این پژوهش، در ژورنال Nature Communications منتشر شد. با دیپ لوک همراه باشید…

در این دمای فوق العاده پایین، الکترون ها، ماهیت کوانتومی خود را نشان می دهند به طوری که جریان الکتریکی به جای یک جریان پیوسته از الکترون های غیرقابل تشخیص، به چکه هایی از الکترون های جدا و قابل تشخیص، تبدیل می شود. در این حالت، الکترون ها از طریق یک رسانا مثل دانه های شن درون یک ساعت شنی، چکه می کنند. برای توضیح این پدیده باید از الکترودینامیک کوانتومی، کمک بگیریم.

آبی که از شیر جریان می یابد به صورت همگن است و در نتیجه نمی توانیم ملکول های جداگانه آب را تشخیص دهیم؛ همین حالت دقیقا در مورد جریان الکتریکی، صدق می کند. الکترون ها در یک سیم مسی به صورت همگن، جریان می یابند و بنابراین ما نمی توانیم آنها را به طور جداگانه تشحیص دهیم. اگر این جریان الکتریکی را در شرایط کوانتومی قرار دهیم، طبق قوانین مکانیک کوانتومی باید بتوانیم الکترون ها را به طور جداگانه ببینیم. در این شرایط، جریان الکتریکی دیگر شبیه به جریان آب جاری شده از یک شیر، نخواهد بود، بلکه شبیه چکه کردن دانه های شن درون یک ساعت شنی، خواهد بود.

میکروسکوپ تونل زنی روبشی (scanning tunnelling microscope) در این آزمایش، نقش ساعت شنی را ایفا کرد. در میکروسکوپ تونل زنی روبشی ، روبش های بسیار ظریف و به اصطلاح نوک تیز در طول سطح یک نمونه و بدون لمس آن انجام می شود. در این حالت، یک جریان بسیار کوچک، ایجاد می شود و احتمال اندکی برای تونل زنی الکترون ها از نوک تیز به درون نمونه، وجود دارد. این جریان تونل زنی، یک تابع نمایی از فاصله است و نشان می دهد چرا این نوک تیز، فقط چند آنگستروم (یک میلیونیوم یک میلی متر) بالاتر از نمونه قرار گرفته است. تغییرات جریان تونل زنی به محققان اجازه می دهد اتم های جداگانه و ساختارهای اتمی را روی سطوح مشاهده کرده و ساختار الکترونی آنها را بررسی کنند؛ بنابراین میکروسکوپ های تونل زنی روبشی را می توان یکی از حساس ترین آشکارسازهای فیزیک حالت جامد دانست.

میکروسکوپ تونل زنی روبشی
میکروسکوپ تونل زنی روبشی : جریان تونل زنی که به صورت یک نوار شفاف دیده می شود، دو نوک تیز نمونه را به یکدیگر وصل می کند و اطلاعات کوانتومی ارزشمندی را در مورد نمونه به دست می دهد

حتی در این شرایط حساس (یعنی جریانی کمتر از یک میلیاردم جریان درون یک لامپ ۱۰۰ وات)، میلیاردها الکترون در هر ثانیه جریان می یابند که برای تشخیص الکترون ها به صورت جداگانه، بسیار زیاد است. در این حالت، دما، حدود یک پنجاه هزارم صفر مطلق، (یعنی حدود ۲۷۳٫۱۳۵- درجه سانتیگراد) بود. در این دمای پایین، ساختارهای بسیار ظریفی که دور از انتظار محققان انتظار بود، در طیف ظاهر شد. این ساختارها فقط با فرض گسسته بودن جریان تونل زنی، امکان پذیر بود؛ بنابراین برای نخستین بار، ماهیت کوانتومی کامل انتقال الکترونی در میکروسکوپ تونل زنی روبشی مشاهده شد.

برای توضیح این پدیده به کمک مکانیک کوانتومی، باید بار الکتریکی را به طور کوانتیزه، در نظر بگیریم. نظریه ای که زیربنای این آزمایش را توضیح می دهد قبلا و در آغاز دهه ۱۹۹۰ ارائه شده بود. حالا که جنبه آزمایشگاهی این نظریه، عملی شده بود، دانشمندان باید چگونگی سازگاری آزمایش و نظریه را توضیح می دادند.

آزمایش های این پژوهش، به یک محیط آزمایشگاهی ویژه و با کمترین آشفتگی های خارجی نیاز داشت. به همین دلیل در پایان سال ۲۰۱۲، یک آزمایشگاه دقیق در موسسه ماکس پلانک در اشتوتگارت احداث شد که محیط آن، فاقد هر گونه آشفتگی برای آزمایش های با حساسیت بالا مانند میکروسکوپ تونل زنی روبشی بود. این آزمایش در یک محفظه مجهز به هر دو پوشش آگوستیک و الکترومغناطیسی و روی یک پایه بتنی بدون لرزش، انجام شد.

الکترون ها قبلا هم ماهیت کوانتومی خود را ثابت کرده بودند: مثلا وقتی از طریق نقاط کوانتومی، انتقال می یابند، باز هم می توان آنها را به طور جداگانه مشاهده کرد. در میکروسکوپ تونل زنی روبشی این اثر با سرد کردن آن تا دماهای پایین، مشاهده می شود که این دماهای بسیار پایین به محققان اجازه می دهد ابررسانایی و برهمکنش های نور-ماده را بسیار بهتر درک کنند.

دانلود مقاله به صورت PDF

زاده ی اردیبهشت ۶۹ و دانشجوی دکترای شیمی کوانتوم محاسباتی در دانشگاه شهید بهشتی است.او علاقمند به دنیای کوانتوم، تکنولوژی، فوتبال و موسیقی (رپ/راک) بوده و علاوه بر سردبیری دیپ لوک، به طراحی وب و نویسندگی در گجت نیوز، بیگ تم و ماهنامه GB جی اس ام مشغول است.

گفتگو۲ دیدگاه

ارسال نظر


*