جریان الکترونها نیروی محرک دنیای مدرن است. از وسایل خانگی گرفته تا تلفنهای هوشمند، رایانهها و نمایشگرهایی که هر روز از آنها استفاده میکنیم، همه به حرکت هدایتشده الکترونها وابستهاند.
به گزارش انتخاب و به نقل از sciencealert ؛ اما الکترونها از قوانین عجیب دنیای کوانتوم پیروی میکنند؛ قوانینی که رفتارهایی مانند برهمنهی کوانتومی را ممکن میسازد؛ حالتی که در آن ذرات میتوانند همزمان در چند وضعیت وجود داشته باشند تا زمانی که مشاهده شوند؛ مفهومی که با آزمایش ذهنی مشهور «گربه شرودینگر» شناخته میشود.
اکنون گروهی از فیزیکدانان دانشگاه میشیگان در مطالعهای تازه، دستگاهی به نام «فانوس دریایی الکترونی» (Electron Lighthouse) ساختهاند؛ سامانهای که میتواند تنها با استفاده از نور، پرتو الکترونها را در جهتی مشخص هدایت کند، بدون آنکه به منبع تغذیه یا میدان الکتریکی نیاز داشته باشد.
«استیون کاندیف»، استاد فیزیک و سرپرست این پژوهش، میگوید: «معمولاً الکترونها در یک ماده زمانی حرکت میکنند که میدان الکتریکی به آن اعمال شود و در مسیر خود بارها با اتمها برخورد کنند. اما در این روش، تنها با نور میتوان الکترونها را مستقیماً در یک جهت مشخص به حرکت درآورد، بدون اینکه هیچ میدان الکتریکی اعمال شود.»
هدایت الکترونها با دو پرتو لیزر
پژوهشگران با حمایت بنیاد ملی علوم آمریکا، دستگاهی ساختند که از دو پرتو لیزر با طول موجهای متفاوت (در محدوده فروسرخ و نامرئی طیف الکترومغناطیسی) استفاده میکند تا جریان الکترونها را در یک نیمهرسانا کنترل کند.
به گفته پژوهشگران، شگفتانگیزترین بخش این آزمایش آن بود که جریان تولیدشده آنقدر قوی بود که با دستگاه ساختهشده قابل اندازهگیری باشد.
در این روش، «جریان بالستیک» ایجاد میشود؛ یعنی الکترونها بدون برخوردهای مکرر، در مسیری مستقیم و با سرعت اولیه خود حرکت میکنند. این در حالی است که در مدارهای الکتریکی معمولی، حرکت الکترونها به دلیل برخورد مداوم با ناخالصیها و نقصهای موجود در ماده، پراکنده و نامنظم است.
حل یک چالش بزرگ
این دستگاه در مرکز نانوساخت دانشگاه میشیگان ساخته شد. پژوهشگران مجبور بودند روشی ابداع کنند که هنگام آزمایش، هیچ میدان الکتریکی ناخواستهای وارد سیستم نشود؛ زیرا چنین میدانهایی میتوانستند نتایج را تغییر دهند.
«ییمینگ گونگ»، نویسنده نخست مقاله، میگوید: «هیچ روش استانداردی برای انجام این کار وجود نداشت، بنابراین با آزمایش ترکیبهای مختلف و تغییر دماهای ساخت، فرایند مناسبی برای تولید این دستگاه طراحی کردیم.»
نور فقط جریان را روشن نمیکند؛ آن را هدف میگیرد
مطالعات پیشین نشان داده بودند که نور میتواند انرژی لازم برای حرکت الکترونها را فراهم کند، اما این پژوهش یک گام فراتر رفته است.
کاندیف میگوید: «نور دیگر فقط جریان را روشن نمیکند، بلکه جهت آن را نیز تعیین میکند.»
برای هدایت این پرتو الکترونی، پژوهشگران به جای چرخاندن دستگاه، قطبش نور یا همان جهت نوسان موجهای نوری را تغییر میدهند. با تغییر قطبش، جهت حرکت پرتو الکترونی نیز تغییر میکند.
نقش تداخل کوانتومی
این دستاورد بر پایه پدیدهای به نام تداخل کوانتومی شکل گرفته است؛ یکی از ویژگیهای بنیادین دنیای کوانتوم.
برخلاف ذرات کلاسیک که مسیر مشخصی دارند، ذرات زیراتمی رفتاری موجگونه از خود نشان میدهند. زمانی که این موجها با یکدیگر تداخل میکنند، ممکن است یکدیگر را تقویت یا تضعیف کنند. پژوهشگران از همین ویژگی برای هدایت الکترونها در مسیر دلخواه استفاده کردهاند.
این فناوری چه کاربردی خواهد داشت؟
دانشمندان معتقدند این فناوری میتواند به شناخت بهتر هندسه کوانتومی مواد کمک کند؛ ویژگیای که رفتار بنیادی مواد را تعیین میکند.
این دستاورد همچنین میتواند زمینهساز پیشرفت در فناوریهای مختلف باشد، از جمله:
* افزایش دقت حسگرهای کوانتومی
* بهبود سامانههای تصویربرداری
* ارتقای فناوریهای مخابراتی و انتقال داده
* ساخت رایانههای کوانتومی سریعتر و کارآمدتر
در رایانش کوانتومی نیز تداخل کوانتومی میتواند احتمال رسیدن به پاسخهای صحیح را افزایش و احتمال پاسخهای نادرست را کاهش دهد؛ موضوعی که سرعت محاسبات را به شکل چشمگیری بالا میبرد.
به گفته پژوهشگران، اگر آینده متعلق به فناوریهای کوانتومی باشد، این «فانوس دریایی الکترونی» میتواند راهنمایی برای حرکت در دنیای ناشناخته ذرات زیراتمی و توسعه نسل آینده تجهیزات الکترونیکی و محاسباتی باشد.
نتایج این پژوهش در نشریه Physical Review Letters منتشر شده است.
