جریان الکترونها، شریان حیاتی دنیای مدرن ما را تشکیل میدهد. از وسایل خانگی گرفته تا صفحه نمایشهایی که برای کار و سرگرمی به آنها تکیه میکنیم، همه و همه به هدایت دقیق الکترونها وابسته هستند. اما الکترونها از قوانین عجیب دنیای کوانتوم پیروی میکنند و رفتارهایی از خود نشان میدهند که در دنیای ماکروسکوپی قابل مشاهده نیست.
با این حال، گاهی اوقات همین رفتارهای عجیب، شباهتهایی با فرآیندهای قابل درک در دنیای واقعی پیدا میکنند. در یک مطالعه پیشگامانه، فیزیکدانان دانشگاه میشیگان دستگاهی شبیه به “چراغ دریایی” الکترونی توسعه دادهاند که با استفاده از “رنگهای” مختلف نور، جریان الکترونها را هدایت میکند، آن هم بدون نیاز به هیچ منبع تغذیه الکتریکی.
استیون کاندیف، فیزیکدان تجربی در دانشگاه میشیگان و نویسنده ارشد این مطالعه، توضیح میدهد که این روش با نحوه معمول حرکت الکترونها متفاوت است. معمولاً الکترونها به دلیل میدان الکتریکی اعمال شده حرکت میکنند و در مواد پراکنده میشوند. اما در این روش جدید، با استفاده از نور میتوان الکترونها را بدون اعمال میدان الکتریکی، در جهت دلخواه هدایت کرد.
این محققان با استفاده از دو پرتو لیزر با “رنگهای” متفاوت (در طیف مادون قرمز نامرئی) توانستند جریان الکترونها را در یک نیمههادی کنترل کنند. کاندیف اظهار داشت که شاید شگفتانگیزترین نکته، قابل تشخیص بودن جریانهای تولید شده با دستگاه ساخته شده باشد. این جریانها “بالستیک” هستند، به این معنی که الکترونها مسیری را دنبال میکنند که با سرعت اولیه پرتابشان تعیین میشود، برخلاف جریانهای الکتریکی معمولی که به دلیل پراکندگی الکترونها از ناخالصیها و نقصها، حالت انتشاری دارند.
برای ساخت این دستگاه، محققان با چالش بزرگی روبرو بودند: چگونگی ایجاد یک محیط آزمایشی بدون میدانهای الکتریکی خارجی که میتوانند نتایج را تحت تأثیر قرار دهند. ییمینگ گونگ، نویسنده اول مطالعه، بیان کرد که این بزرگترین معمایی بود که باید حل میشد و برای رسیدن به آن، با کارکنان تأسیسات نانوفناوری لوری (LNF) همکاری کردند تا با آزمون دستورالعملها و دماهای مختلف، فرآیند تولید مناسبی را ابداع کنند.
پیش از این، تحقیقات نظری و تجربی نشان داده بود که نور به تنهایی میتواند انرژی لازم برای به حرکت درآوردن الکترونها را فراهم کند. کاندیف اشاره کرد که این پروژه به نوعی جالب است، زیرا او سالها پیش کار بر روی نسخه پیشین آن را به عنوان راهی برای ساخت یک آشکارساز حساس به فاز برای تثبیت شانه فرکانسی آغاز کرده بود. شانههای فرکانسی ابزارهای اساسی برای کنترل دقیق امواج الکترومغناطیسی هستند و امکان ساخت ساعتها، کامپیوترها و سیستمهای ارتباطی دقیقتر را فراهم میکنند.
این تحقیق بر پایهی کارهای پیشین بنا شده و نشان میدهد که چگونه نور میتواند الکترونها را به جریان یافتن در یک پیکربندی شبیه به پرتو تشویق کند، پدیدهای که نویسندگان آن را به چراغ دریایی تشبیه کردهاند. کاندیف میگوید: “نور دیگر صرفاً جریان را روشن نمیکند؛ بلکه آن را هدایت نیز میکند.”
اما هدایت این پرتو الکترونی پیچیدهتر از چرخاندن یک لامپ است. در عوض، محققان با چرخاندن قطبش نور، یعنی جهت نوسانات آن، پرتو الکترونی خود را میچرخانند.
این کار همچنین نتیجه پیشبینی یکی از همکاران قبلی، جان سیپ، فیزیکدان نظری در دانشگاه تورنتو است. سیپ و همکارانش پیشبینی کرده بودند که این تنظیمات آزمایشی، اثر “چراغ دریایی” الکترونی را ایجاد کرده و پرتویی از الکترونهای جهتدار را در غیاب ولتاژ اعمال شده تولید خواهد کرد.
مکانیزم اساسی زیربنایی این پدیده، تداخل کوانتومی نام دارد که یک فرآیند کوانتومی “مشخصه” محسوب میشود. برخلاف ذرات کلاسیک با مسیرهای مشخص، در قلمرو ناملموس زیراتمی، ذرات مانند امواج نامشخص عمل میکنند و تداخل کوانتومی نحوه همافزایی سازنده یا مخرب توابع موج این ذرات را توصیف میکند.
در آینده، این تحقیقات میتواند به روشن شدن هندسه کوانتومی موادی که رفتارهای بنیادی آنها را دیکته میکند، کمک کند. در نتیجه، ممکن است به بهبود فناوریهای متعددی از جمله تکنیکهای سنجش کوانتومی که به دنبال توصیف کمیتهای فیزیکی با دقت فزاینده هستند، یاری رساند. همچنین، پیشرفتهای تداخل کوانتومی میتواند تصویربرداری و ارتباطات از راه دور را بهبود بخشد و انتقال سیگنال بین دستگاهها و حجم دادههای حمل شده را افزایش دهد.
به طور مشابه، تداخل کوانتومی میتواند منجر به سرعتهای قابل توجهی در محاسبات شود، با تقویت احتمال دریافت راهحلهای محاسباتی مطلوب و سرکوب احتمال دریافت راهحلهای نامطلوب.
آینده کوانتومی است و این چراغ دریایی ممکن است ما را در پیمایش دریای هنوز تاریک و نامرئی ذرات و میدانهای زیراتمی که جهان ملموس را هدایت میکنند، راهنمایی کند. این تحقیق در فیزیکال ریویو لترز منتشر شده است.
