دروازه‌ای نو به جهان کوانتوم گشوده شد!

زهرا وجدانی: برای نخستین بار در تاریخ علم، پژوهشگران موفق شدند شکل واقعی یک الکترون در حال حرکت را اندازه‌گیری و به تصویر بکشند؛ دستاوردی بی‌سابقه که می‌تواند درک بشر از ساختار ماده، رفتار الکترون‌ها و طراحی مواد نوین الکترونیکی را به‌طور بنیادین متحول کند.

این پژوهش که حاصل همکاری بین‌المللی میان چندین مؤسسه علمی معتبر است، در نشریه Nature Physics منتشر شده و نقطه عطفی در فیزیک کوانتومی به شمار می‌رود.

پشت صحنه یک همکاری جهانی

این پروژه با هدایت ریکاردو کومین، دانشیار فیزیک در مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) و با همکاری پژوهشگرانی همچون مینگو کانگ از دانشگاه کرنل به انجام رسید. تیم پژوهشی با وجود محدودیت‌های ناشی از همه‌گیری کرونا، توانست با بهره‌گیری از همکاری‌های مجازی، تخصص نظری و تجربی را از سراسر جهان گرد هم آورد. این همکاری مؤثر منجر به تحقق هدفی شد که دهه‌ها در فیزیک کوانتومی رؤیایی دست‌نیافتنی بود.

ماهیت موج‌گونه الکترون‌ها؛ راهی به سوی کشف تازه

الکترون‌ها برخلاف ذرات کلاسیک، ویژگی‌هایی موج‌گونه دارند و با اصطلاح «تابع موج» در فضا‌های چندبعدی توصیف می‌شوند. تا پیش از این، شکل دقیق این توابع موج، به‌ویژه در حالت حرکت الکترون درون جامدات، تنها در قالب نظریات و شبیه‌سازی‌ها مورد بررسی قرار می‌گرفت. اما اکنون پژوهشگران موفق شدند این شکل را به‌صورت تجربی اندازه‌گیری کنند؛ کشفی که می‌تواند رویکرد ما به خواص الکترونیکی مواد و رفتار بنیادی ذرات زیراتمی را دگرگون سازد.

تکنیک ARPES؛ نگاهی نو به هندسه کوانتومی

پژوهشگران با بهره‌گیری از روش طیف‌سنجی فوتوالکترون با تفکیک زاویه‌ای یا ARPES موفق به ثبت این تصویر بی‌نظیر شدند. این تکنیک با تابش نور به سطح ماده و بررسی الکترون‌های آزادشده، اطلاعات دقیقی از جهت، انرژی و چرخش آنها ارائه می‌دهد. حاصل این بررسی‌ها، نقشه‌ای سه‌بعدی از ساختار الکترونی ماده در فضای کوانتومی است؛ ساختاری که به مراتب پیچیده‌تر از هندسه کلاسیک بوده و مفاهیم تازه‌ای را وارد فیزیک مواد می‌کند.

فلزات کگومه؛ بستری برای آزمایش هندسه کوانتومی

در این پژوهش، تمرکز اصلی بر مواد موسوم به «فلزات کگومه» بود؛ ساختار‌هایی با الگوی مثلثی درهم‌تنیده که ویژگی‌های الکترونیکی خارق‌العاده‌ای از خود نشان می‌دهند. ساختار منحصر‌به‌فرد این مواد باعث می‌شود تا اثرات هندسه کوانتومی در آنها تقویت شود. دانشمندان با بررسی الکترون‌ها در این مواد توانستند برای نخستین بار، تصویری واقعی از توزیع تابع موج الکترون در حال حرکت را به دست آورند.

کاربرد‌های بالقوه؛ از ابررسانایی تا رایانش کوانتومی

درک عمیق‌تر از ساختار هندسی توابع موج، می‌تواند مسیر توسعه نسل جدیدی از مواد الکترونیکی را هموار کند؛ موادی با ویژگی‌هایی همچون رسانایی بالا، مصرف انرژی پایین و قابلیت کنترل پیشرفته بر جریان الکترون‌ها. از مهم‌ترین کاربرد‌های این کشف می‌توان به طراحی مواد ابررسانا، بهینه‌سازی مدار‌های نانوالکترونیکی، و توسعه رایانه‌های کوانتومی اشاره کرد.

ریکاردو کومین در خصوص این دستاورد می‌گوید: «ما در واقع نقشه‌راهی طراحی کرده‌ایم برای دستیابی به اطلاعاتی که پیش‌تر خارج از دسترس بودند. این تحول می‌تواند نقطه شروعی برای بازتعریف مفاهیم بنیادی در علم مواد باشد.» به باور او، با تکامل روش‌هایی نظیر ARPES، می‌توان در آینده‌ای نزدیک به درک دقیق‌تری از نقش هندسه کوانتومی در رفتار الکترون‌ها در مواد گوناگون دست یافت.

این کشف تاریخی نه‌تنها دریچه‌ای نو به روی فیزیک‌دانان گشوده، بلکه فرصت‌هایی بی‌سابقه برای صنایع پیشرفته فراهم کرده است. از ساخت ابزار‌های الکترونیکی هوشمند و کم‌مصرف تا گسترش کاربرد‌های فناوری کوانتومی، همگی به درک بهتر از رفتار بنیادین ذرات نیاز دارند.

پژوهش حاضر آغازگر عصری است که در آن، دانش ما از کوانتوم، نه صرفاً مفهومی نظری، بلکه ابزار قدرتمندی برای ساخت آینده‌ای فناورانه خواهد بود.

انتهای پیام/