کشف ویژگی بنیادی تازه ای از مکانیک کوانتومی: الکترون شبح وار!

5

دانشمندان نانوتکنولوژی دانشگاه توئنته ی هلند،یک ویژگی بنیادی تازه ی جریان های الکتریکی را در مدارهای فلزی بسیار کوچک کشف کردند. با دیپ لوک همراه باشید… این اثر نشان می دهد که چگونه الکترون ها می توانند بر فراز مدار، مانند امواج پخش شده و باعث به وجود آمدن اثرات تداخلی در مکان هایی که هیچ جریان الکتریکی وجود ندارد، شوند. در این ناموضعیت، هندسه ی مدار، نقشی کلیدی را ایفا می کند. تداخل، نتیجه ی مستقیم ویژگی موجی کوانتومی الکترون ها و هندسه ی خاص مدار است. نتایج این پژوهش، سه روز پیش در ژورنال بریتانیایی  Scientific Reports منتشر شد.

تداخل، یک پدیده ی رایج در طبیعت است و زمانی رخ می دهد که یک یا چند موج در حال انتشار با یکدیگر به صورت همدوس برخورد کنند. تداخل صدا، نور یا امواج آب، به خوبی شناخته شده است. الکترون ها یا همان حامل های مدار الکتریکی هم می توانند تداخل کنند. این پدیده نشان می دهد الکترون ها هم حداقل در مدارهای مقیاس نانویی که در دماهای فوق العاده پایین هستند، باید به صورت موج در نظر گرفته شوند،چرا که در این حالت دوگانگی موج-ذره ی کوانتومی حکومت می کند.

ناموضعیت چیست؟

قبل از اینکه به سراغ توضیح آزمایش برویم، بهتر است کمی با مفهوم ناموضعیت (Nonlocality) آشنا شوید. همانطور که میدانید موضع به معنای مکان مشخص است. در نتیجه ناموضعیت به معنای عدم استقرار در یک مکان مشخص است .اما در نظریه ی کوانتومی این مفهوم به چه معنایی است؟ وقتی دو ذره به صورت کوانتومی درهم تنیده هستند، با وجود فاصله داشتن از یکدیگر باز تحت تاثیر یکدیگر قرار می گیرند. برخلاف آلبرت اینشتین که معتقد بود که تمام متغیرهای فیزیکی فقط به ۴ مولفه ی فضا-زمانی بستگی دارد، رفتار دو ذره ی درهم تنیده به چیزی فراتر از مولفه های فضا-زمانی بستگی دارد. در این حالت می گوییم مکانیک کوانتومی در ذات خود دارای ناموضعیت است. آلبرت اینشتین این پدیده را حرکت شبح وار می داند و اروین شرودینگر آن را درهم تنیدگی دو ذره می نامد.

شرودینگر و اینشتین یک سوال مهم داشتند: وابستگی رفتاری این دو ذره تا کی یا تا چه فاصله ای باقی می ماند؟ پاسخ این است: تا زمانیکه که دو ذره، تابع موج همدوسی داشته باشند. به عبارتی تا زمانیکه یک عامل خارجی در وابستگی این دو ذره اختلال وارد نکند؛ آنها همچنان درهم تنیده باقی می مانند و به وسیله ی تابع موج یگانه ای توصیف می شوند، اما به محض اینکه یک عامل خارجی، این در هم تنیدگی را دچار اختلال کند، دو ذره از یکدیگر مستقل شده و در واقع با دو تابع موج جداگانه توصیف می شوند.

شرودینگر مکانیک موجی کوانتومی را خیلی بهتر از اینشتین درک کرده بود. او معتقد بود که تابع موج، فقط احتمال حضور ذره در یک مکان را بدست می دهد و این بدان معناست که ذره می تواند هر جایی وجود داشته باشد و در واقع احتمال حضور ذره در هرجایی، غیرصفر است و ما تا زمانیکه یک اندازه گیری را انجام ندهیم، قادر نخواهیم بود مکان ذره را تشخصی دهیم. برای درک بهتر مفهوم ناموضعیت کوانتومی، پیشنهاد می شود مقاله ی عالی زیر را مطالعه کنید.

دانلود مقاله ی ناموضعیت فراتر از مکانیک کوانتومی

جزییات آزمایش: حلقه ی طلا

به آزمایش مورد نظر بازمی گردیم. در این آزمایش محققان، تداخل در یک حلقه ی طلا با قطر تنها ۵۰۰ نانومتر را نشان دادند. همانطور که در شکل زیر هم دیده می شود، یک طرف حلقه با یک سیم مینیاتوری به یک مدار الکتریکی قابل هدایت، متصل است و طرف دیگر حلقه از طریق سیمی به یک ولت متر وصل است. وقتی جریانی از سمت چپ حلقه، اعمال شود و از بالای حلقه هم میدان مغناطیسی متغیری به آن القا فرستاده شود، حتی با وجود اینکه هیچ جریان الکتریکی خالصی در حلقه وجود ندارد، ولت متر جریانی را در سمت دیگر حلقه نشان می دهد، یعنی می توان تداخل الکترون را در سمت دیگر حلقه، مشاهده کرد. این نشان می دهد که امواج الکترونی می توانند به داخل حلقه نشت کنند و ویژگی های الکتریکی مکان های دیگر مدار را تغییر دهند، این در حالیست که ما از نظر کلاسیکی، به هیچ وجه منتظر رخ دادن چنین پدیده ای نیستیم.

ناموضعیت کوانتومی

 

الکترون شبح وار: پردازش اطلاعات کوانتومی

نتیجه ای که از این آزمایش بدست آمد نشان می دهد که معادلات کوانتومی حرکت، ناموضعی هستند. نتایج این پژوهش به محققان کمک می کند تا بیشتر در مورد ناموضعیت بدانند.  ناموضعیتی که در ابتدا از آن صحبت کردیم مربوط به دو ذره ی درهم تنیده بود، اما اینجا با یک تک الکترون ناموضع مواجهیم. واضح است که تداخل کوانتومی تحت تاثیر ناهمدوسی و انجام اندازه گیری کدام مسیر قرار می گیرد (آزمایش های “کدام مسیر” به اندازه گیری هایی اشاره دارند که طی آنها، سیستم حالت قبلی خود را فراموش می کند یا به عبارت دیگر، حافظه ی خود را از دست می دهد). اما دانشمندان با این آزمایش، راه جدیدی برای تحت تاثیر قرار گرفتن ناموضعیت دینامیکی کشف کرده اند: یعنی هندسه ی مدار. درک این اثر بنیادی برای آینده ی پردازش اطلاعات کوانتومی، مثلاً ساخت یک کامپیوتر کوانتومی، بسیار مهم است.

دانلود مقاله اصلی 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.

گفتگو۵ دیدگاه

  1. شانت شهبازیان

    نوشته جالبی بود. پیشنهاد می کنم ” کارکتر” به “ویژگی”، “شح وار” به “شبح وار” تغییر یابند.

  2. در مکانیک کوانتومی ما به ذره موجودی به نام تابع موج را نسبت میدهیم که تابع ای از سه مختصه فضایی و یک مختصه زمانی هست. اما باید توجه داشت که این موجود یک متغیر دینامیکی مثل بسیاری از متغیرها که در فیزیک کلاسیک داریم نیست بلکه موجودی است که از حل معادله موج شرودینگر بدست آمده و الزاما بر روی آن تفسیر احتمالاتی از حضور ذزه گذاشته شده است و به نوعی مولد مشاهده پذیرهای فیزیکی هست,. در برهم کنش دو ذره به دوصورت میشه با ان برخورد کرد یا میشه تابع موج هر ذره را جداگانه به توان دو رساند ویا میشه جمع دو تابع موج را به توان دو رساند که در حالت دوم شما با یک عبارت تداخلی در محاسبه مواجهه خواهید شد. به آزمایش دو شکاف یانگ مراجعه شود. وبدرستی اشاره شده در بالا که اثر یک عامل بیرونی این اثر تداخلی را ازبین میبرد مثل تاباندان نور بر روی مسیر الکترون در آزمایش دو شکاف یانگ که اثرات تداخلی ازبین می رود. این به معنای آن است که برخلاف فیزیک کلاسیک در سطح ریزمقیاس رفتار ذرات بنیادی وابسته به ناظر می باشند که این خود یکی از شگفتی های دنیای کوانتومی می باشد.!!!!

ارسال نظر


*