دانشمندان برای نخستین بار سرعت شبح‌وار تونل زنی کوانتومی را سنجیدند

دانشمندان برای نخستین بار سرعت شبح‌وار تونل زنی کوانتومی را سنجیدند

در فیزیک کوانتومی، ذرات می‌توانند از موانع به ظاهر غیرقابل نفوذ، عبور کرده و به اصطلاح تونل بزنند؛ حتی زمانی که ظاهرا انرژی انجام چنین کاری را ندارند. اکنون محققان به بررسی ‌عمیق‌تر این پدیده پرداخته‌اند تا آن را بهتر درک کنند.

دهه‌هاست که معمای تونل زنی کوانتومی دانشمندان را به خود مشغول کرده است؛ به ویژه، مدت زمانی که طول می‌کشد یک ذره‌، تونل بزند و از یک طرف مانع به سمت دیگر آن برود. محققان دریافتند تونل زدن ذرات هیدروژن اتمی که در این آزمایش‌ها استفاده ‌شدند، به صورت آنی رخ می‌دهد.

انتقال آنی قبلا نیز بررسی شده، اما اکنون دانشمندان آن را در آزمایشگاه و با استفاده از دستگاه خاصی که ساعت آتو (attoclock) نامیده می‌شود، مشاهده کرده‌اند. ساعت آتو، دستگاهی است که از ویژگی‌های نور برای اندازه‌گیری پیش‌‌رفتن ذره استفاده می‌کند. رابرت سنگ (Robert Sang) از دانشگاه گریفیث استرالیا می‌گوید:

ما از ساده‌ترین اتم، یعنی اتم هیدروژن استفاده کرده و دریافتیم هیچ تاخیری در چیزی که ما می‌توانیم اندازه‌گیری کنیم، وجود ندارد.

ساعت آتو برای برهمکنش با اتم‌های هیدروژن، از هزار پالس فوق کوتاه نور در هر ثانیه استفاده کرد. قدرت لحظه‌ای کل پالس‌ها حدود 30 گیگاوات بود که این امر، شرایط لازم برای تونل زنی تک الکترون اتم‌ها و گذشتن آنها از مانع را فراهم کرد. محققان با استفاده از اتم‌های هیدروژن با ساده‌ترین ساختار اتمی، توانستند تقریب‌هایی را که در آزمایش‌های قبلی تونل زنی کوانتومی ذرات لحاظ شده بود، حذف کنند. آنها می‌گویند:

یک نقطه‌ی خوش‌تعریف وجود دارد که می‌توانیم برهمکنش را آنجا آغاز کنیم و همچنین نقطه‌ای وجود دارد که اگر این پدیده آنی باشد، الکترون باید از آنجا بیرون بیاید، بنابراین هر تغییری بعد از زمان موردنظر، مربوط به گذشتن ذره از مانع است. بدین ترتیب، ما مدت زمان تونل زنی کوانتومی را اندازه می‌گیریم. نتیجه‌ی این آزمایش با در نظر گرفتن عدم قطعیت آزمایشگاهی، با نظریه و تونل زنی کوانتومی آنی سازگاری داشت.

دانش جدید بدست آمده از آزمایش‌های ساعت آتو که طی سه سال انجام شده، می‌تواند هر جایی که تونل زنی کوانتومی رخ می‌دهد (مانند میکروسکوپ‌های الکترونی و ترانزیستورهای درون کامپیوترها)،‌ مفید باشد. از طرفی تونل زنی کوانتومی به عنوان راهی برای استفاده از انرژی تابشی اضافی و گرمای هدررفته پیشنهاد شده است، بنابراین هر چه بیشتر در مورد این پدیده، اطلاعات بیشتری بدست آوریم، به نفع ماست.

در ضمن، این تحقیق جدید می‌تواند به عنوان بنیانی برای بررسی تونل زنی سایر اتم‌ها و سرعت گذشتن آنها از موانع استفاده شود، مطالعاتی که می‌تواند به طور بالقوه منجر به اکتشافات جدید شود. محققان می‌گویند:

اکنون که این اتم را مورد بررسی قرار داده‌ایم، می‌توانیم همین فرآیند را با سایر اتم‌ها انجام دهیم تا چیزهای بیشتری در مورد فیزیک جدید احتمالی بیاموزیم. اتم هیدروژن با تاخیر صفر، می‌تواند مرجع سنجش تاخیر سایر اتم‌ها شود.

نتیجه‌ی این پژوهش در مجله معتبر نیچر منتشر شد.

منبع: sciencealert