دستاورد بی‌سابقه: اندازه‌گیری زمان رویدادهای کوانتومی با دقت آتوثانیه

چالش زمان در مکانیک کوانتومی

هوگو دیل، فیزیک‌دان دانشگاه پلی‌تکنیک فدرال لوزان (EPFL)، تاکید می‌کند که مفهوم زمان همواره برای فلاسفه و فیزیک‌دانان چالش‌برانگیز بوده و مکانیک کوانتومی این پیچیدگی را دوچندان کرده است. مشکل اصلی، نقش کلی زمان در مکانیک کوانتومی و به ویژه مقیاس زمانی مرتبط با گذارهای کوانتومی است.

رویدادهای کوانتومی در مقیاس‌های بسیار کوچک و در مدت زمان‌های غیرقابل تصوری رخ می‌دهند. به عنوان مثال، فرآیندهایی مانند تونل‌زنی یا پرش یک الکترون به حالت انرژی جدید پس از جذب نور، تنها در چند ده آتوثانیه اتفاق می‌افتند. این بازه زمانی به قدری کوتاه است که نور حتی نمی‌تواند عرض یک ویروس کوچک را در همین مدت طی کند.

اندازه‌گیری رویدادهای فوق‌سریع بدون ساعت

اندازه‌گیری فواصل زمانی اینچنین کوتاه همواره یک مانع بزرگ بوده است، زیرا هر دستگاه زمان‌سنج خارجی می‌تواند فرآیند کوانتومی حساس را تحت تاثیر قرار داده و نتیجه را تغییر دهد. جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۳ نشان داد که می‌توان به چنین زمان‌های کوتاهی دست یافت، اما استفاده از مقیاس زمانی خارجی ممکن است خطا ایجاد کند. تیم تحقیقاتی دیل اکنون روشی را ارائه کرده که نیاز به ساعت یا مرجع زمانی خارجی را کاملاً حذف می‌کند.

وقتی الکترون‌ها فوتون جذب کرده و از ماده خارج می‌شوند، اطلاعات ظریفی در اسپین آنها نهفته است. این اسپین بسته به نحوه وقوع گذار کوانتومی تغییر می‌کند و با تحلیل این تغییرات، پژوهشگران توانستند مدت زمان گذار را تعیین کنند.

فی گو، نویسنده اول مقاله، می‌گوید: «این آزمایش‌ها نیاز به مرجع خارجی یا ساعت ندارند و مدت زمانی که تابع موج الکترون از حالت اولیه به حالت نهایی با انرژی بالاتر پس از جذب فوتون طی می‌کند، به دست می‌آید.»

نقش تداخل کوانتومی و طیف‌سنجی پیشرفته

وقتی نور یک الکترون را تحریک می‌کند، فرآیند تنها یک مسیر را دنبال نمی‌کند؛ بلکه مسیرهای کوانتومی متعددی به طور همزمان امکان‌پذیرند. این مسیرها با یکدیگر تداخل می‌کنند و اثر این تداخل در الگوی اسپین الکترون منتشر شده قابل مشاهده است. با رصد تغییرات این الگو نسبت به انرژی الکترون، محققان توانستند مدت زمان گذار را محاسبه کنند.

برای انجام اندازه‌گیری‌ها، تیم از روشی موسوم به طیف‌سنجی فوتوالکترون زاویه‌ای و اسپین‌دار (SARPES) استفاده کرد. در این روش، نور سنکروترون قدرتمند به ماده تابانده می‌شود تا الکترون‌ها به انرژی بالاتر برانگیخته و از ماده خارج شوند. سپس انرژی، جهت و اسپین الکترون‌های خارج شده اندازه‌گیری می‌شود.

تأثیر ساختار اتمی بر زمان‌بندی کوانتومی

پژوهشگران مواد با آرایش‌های اتمی متفاوت را مورد بررسی قرار دادند:

• مس (سه‌بعدی): ساختار معمولی.
• تیتانیوم دی‌سلنید (TiSe₂) و تیتانیوم دی‌تلورید (TiTe₂): شامل لایه‌های ضعیفاً متصل.
• مس تلورید (CuTe): ساختار ساده‌تر به صورت زنجیره‌ای از اتم‌ها.

این مقایسه‌ها به تیم امکان داد تا تأثیر هندسه ماده بر مدت زمان گذار کوانتومی را بررسی کنند. اندازه‌گیری‌ها نشان دادند که هر چه ساختار ماده ساده‌تر و نامتقارن‌تر باشد، مدت زمان گذار کوانتومی طولانی‌تر است:

این نتایج به وضوح نشان می‌دهند که ساختار اتمی ماده نقش تعیین‌کننده‌ای در سرعت رویدادهای کوانتومی دارد.

پیامدها برای فیزیک و فناوری کوانتومی

دیل اظهار داشت که این نتایج تجربی نه تنها اطلاعات بنیادی درباره تأخیر زمانی در فوتوالکترون‌ها فراهم می‌کند، بلکه بینشی تازه درباره عواملی که زمان را در سطح کوانتومی تحت تأثیر قرار می‌دهند ارائه می‌دهد و می‌تواند مسیر درک نقش زمان در مکانیک کوانتومی را هموار کند.

این یافته‌ها ابزار جدیدی در اختیار محققان قرار می‌دهد تا رفتار الکترون‌ها در مواد پیچیده را بررسی کنند و می‌تواند در طراحی مواد با ویژگی‌های کوانتومی خاص و توسعه فناوری‌های آینده که نیازمند کنترل دقیق حالت‌های کوانتومی هستند، بسیار مؤثر باشد.