دانشمندان دانشگاه هاروارد و مؤسسه پل شرر (PSI) موفق شده‌اند حالت‌های زودگذر کوانتومی را در زمان منجمد کنند. این کار مسیر تازه‌ای برای کنترل حالت‌های کوانتومی با استفاده از پالس‌های لیزری فراهم می‌کند.
هنگامی که مواد کوانتومی برانگیخته می‌شوند، ویژگی‌های شگفت‌انگیزی از خود نشان می‌دهند اما این حالت‌های برانگیخته به‌محض حذف محرک، به‌سرعت از بین می‌روند و همین موضوع کاربردهای عملی آنها را محدود می‌کند.
به گزارش Sciencedaily، اکنون تیمی از پژوهشگران دانشگاه هاروارد و مؤسسه PSI موفق شده‌اند روشی را برای پایدارسازی این حالت‌های زودگذر ارائه دهند و رفتارهای کوانتومی آنها را با استفاده از پرتوهای ایکس از لیزر الکترون آزاد SwissFEL در PSI مطالعه کنند. یافته‌های این پژوهش در مجله Nature Materials منتشر شده است.
برخی مواد ویژگی‌های کوانتومی شگفت‌انگیزی دارند که می‌توانند به فناوری‌های تحول‌آفرینی مانند الکترونیک بدون اتلاف انرژی و باتری‌های با ظرفیت بالا منجر شوند. این ویژگی‌های کوانتومی در حالت طبیعی پنهان باقی می‌مانند و دانشمندان باید بادقت آنها را برانگیزند تا نمایان شوند.
یکی از روش‌های مؤثر برای این کار، استفاده از پالس‌های نوری بسیار کوتاه است. این پالس‌ها می‌توانند ساختار میکروسکوپی و برهم‌کنش‌های الکترونی در ماده را دگرگون کنند و باعث ظاهر شدن این ویژگی‌های عملکردی شوند.
اما این حالت‌های القاشده با نور، دوام زیادی ندارند و معمولاً فقط چند پیکوثانیه باقی می‌مانند؛ زمانی بسیار کوتاه که بهره‌برداری عملی از آنها را دشوار می‌کند. در موارد نادری، برخی از این حالت‌های القاشده عمر بیشتری پیدا می‌کنند اما درک ما از این پدیده‌ها هنوز محدود است و چارچوب نظری جامعی برای طراحی حالت‌های برانگیخته‌ی پایدار وجود ندارد.
حالا تیمی از دانشمندان دانشگاه هاروارد به‌همراه همکاران خود در مؤسسه PSI موفق شدند با دستکاری تقارن حالت‌های الکترونی در ترکیبی از اکسید مس، بر یکی از چالش‌های مهم فیزیک کوانتومی غلبه کنند.
آنها با بهره‌گیری از لیزر الکترون آزاد پرتو ایکس SwissFEL در مؤسسه PSI نشان دادند که تحریک نوری هدفمند می‌تواند حالت الکترونی غیرتعادلی شبه‌پایدار ایجاد کند که چندین نانوثانیه (حدود هزار برابر بیشتر از حالت‌های معمولی القاشده با نور) دوام می‌آورد.
ماده‌ای که در این پژوهش بررسی شده، ترکیب Sr₁₄Cu₂₄O₄₁ است که به آن «نردبان کوپرات» (Cuprate Ladder) می‌گویند. این ماده تقریباً یک‌بعدی است و از ۲ واحد ساختاری متمایز تشکیل شده: زنجیره‌ها و نردبان‌ها، که نحوه آرایش اتم‌های مس و اکسیژن را نشان می‌دهند. این ساختار یک‌بعدی، بستری ساده‌تر برای مطالعه پدیده‌های فیزیکی پیچیده‌ای فراهم می‌کند که در سیستم‌های چندبعدی نیز دیده می‌شوند.
«ماتئو میترانو»، فیزیکدان تجربی ماده چگال از دانشگاه هاروارد و سرپرست این پژوهش، توضیح می‌دهد: «این ماده برای ما مثل مگس سرکه است. این بستری ایده‌آل است که می‌توانیم برای بررسی پدیده‌های عمومی کوانتومی از آن استفاده کنیم.»
یکی از روش‌های دستیابی به یک حالت غیرتعادلی شبه‌پایدار به دام انداختن این حالت در «چاه انرژی» است؛ به‌گونه‌ای که سیستم انرژی کافی برای خروج از آن را نداشته باشد. اما این تکنیک می‌تواند مشکل القای گذارهای فازی ساختاری را به‌همراه داشته باشد که می‌تواند تغییری در آرایش مولکولی ماده ایجاد کند. میترانو توضیح می‌دهد:
«ما می‌خواستیم بفهمیم آیا می‌توان بدون تغییر ساختار و فقط با روش‌های کاملاً الکترونیکی، ماده را در حالت غیرتعادلی قفل کرد یا نه. به همین دلیل رویکرد جایگزینی پیشنهاد شد.»
در این ترکیب خاص، واحدهای «زنجیره‌ای» چگالی بالایی از بار الکترونی دارند، درحالی‌که «نردبان‌ها» نسبتاً خالی‌اند. در حالت تعادل، تقارن حالت‌های الکترونی مانع از جابه‌جایی بار میان این 2 بخش می‌شود اما پالس لیزری مهندسی‌شده با دقت بالا این تقارن را می‌شکند و به بارهای الکتریکی اجازه می‌دهد تا به‌صورت کوانتومی از زنجیره‌ها به نردبان‌ها تونل‌زنی کنند.
میترانو توضیح می‌دهد: «مثل این است که یک شیر را باز و بسته می‌کنید.» به‌محض خاموش شدن تحریک لیزری، تونل میان نردبان‌ها و زنجیره‌ها بسته می‌شود و ارتباط بین این 2 بخش قطع می‌گردد. در نتیجه، سیستم برای مدتی در حالت جدید و با عمر طولانی به دام می‌افتد و به دانشمندان اجازه می‌دهد ویژگی‌های کوانتومی آن را اندازه‌گیری کنند.
در این پژوهش، پالس‌های پرتوی ایکس با مدت‌زمان فمتوثانیه که در SwissFEL تولید می‌شوند، امکان ثبت فرایندهای بسیار سریع الکترونی که مسئول شکل‌گیری و پایداری حالت شبه‌پایدار هستند را فراهم کردند.
پژوهشگران با استفاده از تکنیکی به نام «پراکندگی غیرکشسان تشدیدی پرتو ایکس با وضوح زمانی» یا به‌اختصار tr-RIXS در ایستگاه Furka از SwissFEL، موفق شدند برانگیختگی‌های مغناطیسی، الکتریکی و مداری و همچنین نحوه تحول آنها در طول زمان را مشاهده کنند و ویژگی‌هایی را آشکار کنند که معمولاً از دید سایر روش‌های آزمایش پنهان می‌مانند.
«الیا رازولی»، سرپرست ایستگاه Furka که مسئول طراحی این آزمایش بوده است، می‌گوید: «ما می‌توانیم به‌طور خاص روی اتم‌هایی تمرکز کنیم که تعیین‌کننده خواص فیزیکی سیستم هستند.»
این قابلیت نقش کلیدی در رمزگشایی از حرکت الکترون‌هایی داشت که بر اثر تابش نور برانگیخته شده و منجر به شکل‌گیری حالت شبه‌پایدار شدند. «هاری پادما»، پژوهشگر پسادکتری در دانشگاه هاروارد و نویسنده اصلی مقاله، توضیح داد:
«با این تکنیک می‌توانیم حرکت الکترون‌ها را در مقیاس زمانی فوق سریع ذاتی‌شان مشاهده و در نتیجه، شبه‌پایداری الکترونی را آشکار کنیم.»
تکنیک tr-RIXS دیدگاهی منحصربه‌فرد درباره دینامیک انرژی و تکانه در مواد برانگیخته ارائه می‌دهد و فرصت‌های علمی تازه‌ای را برای پژوهشگران SwissFEL در مطالعه مواد کوانتومی فراهم می‌کند.
از زمان انجام این آزمایش اولیه، ایستگاه Furka به‌روزرسانی‌هایی را برای ارتقای وضوح انرژی در روش RIXS پشت سر گذاشته و اکنون آماده بررسی انواع جدیدی از برانگیختگی‌هایی، ازجمله برانگیختگی‌های شبکه‌ای (lattice excitations) است. رازولی می‌گوید:
«این آزمایش برای نشان دادن توانمندی‌های ما در انجام چنین پروژه‌هایی بسیار مهم بود. هم ایستگاه و هم تجهیزات آن از آن زمان تاکنون بهبود قابل‌توجهی یافته‌اند و ما همچنان به بهبود آنها ادامه می‌دهیم.»
این پژوهش گامی بزرگ در مسیر کنترل مواد کوانتومی در شرایط غیرتعادلی به شمار می‌رود و پیامدهای گسترده‌ای برای فناوری‌های آینده دارد. با پایدارسازی حالت‌های غیرتعادلی برانگیخته‌شده با نور، این پژوهش افق‌های تازه‌ای را برای طراحی موادی با ویژگی‌های قابل‌تنظیم گشوده است.
چنین پیشرفتی می‌تواند به توسعه دستگاه‌های اپتوالکترونیکی فوق‌سریع منجر شود؛ ازجمله مبدل‌هایی که سیگنال‌های الکتریکی را به نور و بالعکس تبدیل می‌کنند (اجزای کلیدی در ارتباطات کوانتومی) و رایانش فوتونی. همچنین این رویکرد مسیر جدیدی برای ذخیره اطلاعات فراهم می‌کند که در آن، داده‌ها در حالت‌های کوانتومی رمزگذاری شده و با کمک نورکنترل می‌شوند.
همچنین بخوانید: کشف حالت‌های جدید کوانتومی برای کاهش خطا در محاسبات
